Eine interaktive Darstellung einer Kollision mit zwei Jets, anhand derer man messen kann, ob es Teilchen in Quarks gibt: https://cms3d.web.cern.ch/EXO-24-011/ Bild: CMS/CER
Nur weil eine Theorie etwas vorhersagt, muss es noch lange nicht stimmen, finden Physikerinnen und Physiker. Um herauszufinden, ob die Theorie stimmt, helfen nur Experimente. Die Teilchenphysik basiert auf einer Theorie, die bisher äußerst präzise viele Details über die Eigenschaften von Teilchen beschreibt und bombenfest jedem Test Stand hält, den Teilchenphysiker:innen ihr aussetzen. Das freut die Forschenden einerseits – es spricht für die Verlässlichkeit der Theorie – aber andererseits möchten sie auch gern Fehler finden. Jeder Fehler würde nämlich ein Fenster in eine neue, bisher unbekannte Welt öffnen.
Die Theorie sagt nun voraus, dass Quarks – die Teilchen, aus denen die Kern-Teilchen wie Proton und Neutron bestehen – punktförmig sind. Das würde bedeuten, dass sie nicht weiter teilbar sind. Das genau zu prüfen hat sich DESY-Wissenschaftler Andreas Hinzmann auf die Fahnen geschrieben. Hinzmann forscht am CMS-Experiment, einem der vier Detektoren am Teilchenbeschleuniger LHC am CERN in einem Verbund mit 3000 Wissenschaftler:innen weltweit, die das Experiment entwickelt haben und betreiben. Seit der LHC läuft, also seit 2009, checken er und seine Kollegen – in diesem Fall vom KIT in Karlsruhe und zwei Instituten in den USA – jedesmal, wenn die Kollisions-Bedingungen stark verbessert wurden, ob die Theorie auch noch stimmt. „Es lohnt sich, diese Untersuchung alle paar Jahre wieder zu machen, insbesondere, wenn die Kollisionsenergien gesteigert werden“, so Hinzmann.
Um zu überprüfen, ob das als unteilbar postulierte Quark wirklich unteilbar, also elementar, ist, untersucht das Team Kollisionen, die vom CMS-Detektor aufgezeichnet wurden. Wenn Teilchen bei diesen Kollisionen aufeinandertreffen, zerfallen sie unmittelbar in eine Kaskade von anderen Teilchen, die im Detektor charakteristische Spuren hinterlassen. Einige dieser Spuren, auch Jets genannt, geben zum Beispiel Auskunft über die Energie der kollidierten Teilchen und die Richtung, in der die Zerfallsteilchen fliegen. Und hier setzt die Analyse von Hinzmann und seinen Kollegen an: „Wenn Quarks wie vorhergesagt punktförmig wären, müssten die entstandenen Teilchen in einer bestimmten Verteilung der Winkel auseinanderfliegen“, erklärt Hinzmann. „Wenn sie aber eine innere Struktur haben, wäre die Winkelverteilung ganz anders.“
Die Forscher haben die Untersuchung bis hinunter auf eine Größenskala von 10-20 Metern geschafft – also eine kaum vorstellbar kleine Struktur, rund hunderttausendmal kleiner als ein Proton. Ihr Ergebnis: Es finden sich keine Hinweise auf eine innere Struktur von Quarks bis hinunter zu dieser Größenordnung. „Damit können wir Modelle ausschließen, in denen mögliche Quark-Bausteine durch neue Kräfte gebunden sind, und auch Szenarien mit Extra-Dimensionen, Quanten-Schwarzen Löchern oder bestimmte Modelle mit Dunkler Materie werden weiter eingeengt“, erklärt Hinzmann.
Ist dies nun das Ende der Untersuchungen oder kann der Blick noch tiefer gehen? “Da geht noch was”, sagt Hinzmann. “Mit den Daten aus dem neuesten Run des LHC und dem bevorstehenden High-Luminosity-LHC können wir den Streuwinkel mit deutlich geringeren Unsicherheiten messen, in noch kleinere Strukturen hineinzoomen und die Suche nach den kleinsten Bausteinen der Materie fortzusetzen.”
Ihre Arbeit geht direkt zurück auf die Anfänge der Teilchenphysik, in der immer wieder Unterstrukturen in Materiebausteinen gefunden wurden, die bis dahin als elementar galten. Materie besteht aus Molekülen, die wiederum aus Atomen aufgebaut sind. Atome bestehen aus einem dichten Kern, der von einer Elektronenwolke umgeben ist, und der Kern setzt sich aus Protonen und Neutronen zusammen, die aus Quarks bestehen.
Die angewandte Methode ist inspiriert von einem klassischen Experiment von Ernest Rutherford: er schickte einen Strahl von Heliumkernen auf Goldfolie und maß die Verteilung der Streuwinkel. Durch die Untersuchung ihrer Streuung konnte er ableiten, dass Atome eine innere Struktur hatten und in ihrem Zentrum einen punktförmigen Kern enthielten. Auch in der für die CMS-Kollisionen angewandten Methode sollen die Streuwinkel der Teilchen verraten, ob es im Inneren der Quarks weitere Quark-Teilchen gibt.
CMS Science Briefing (englisch): https://cms.cern/news/whats-inside-quarks-cms-looks-deeper
