Vor mehr als 30 Jahren am CERN aufgezeichnete Daten enthüllen heute eine messbare Spur eines grundlegenden Quantenphänomens.
Forschende haben Kollisionen erneut analysiert, die von DELPHI, einem der Detektoren des ehemaligen LEP-Beschleunigers, aufgezeichnet wurden. Zwischen 1994 und 1995 kollidierten dort Elektronen und ihre Antiteilchen bei einer Energie von 91,2 GeV. Dieser Wert begünstigte die Erzeugung des Z-Bosons, eines Teilchens, das eine der fundamentalen Wechselwirkungen der Materie überträgt.
Der DELPHI-Detektor des CERN, der am ehemaligen LEP-Beschleuniger eingesetzt wurde.
Quelle: Anna Pantelia / CERN, CC BY 4.0 über Wikimedia Commons
Das Z-Boson verschwindet fast unmittelbar nach seiner Entstehung und bringt andere Teilchen hervor. In vielen Fällen erzeugt es Quarks, die anschließend Schauer geladener Teilchen bilden. Die Forschenden untersuchten, wie sich diese Ladungen abhängig von ihrer Richtung um den Kollisionspunkt verteilen.
Um das Ergebnis zu verstehen, muss man eine besondere Eigenschaft der Quantengesetze betrachten. Einige Symmetrien, die in einer klassischen Beschreibung gelten, bleiben nach der Berücksichtigung von Quanteneffekten nicht exakt erhalten. Physiker sprechen dann von einer „Anomalie“. Dieser Begriff bezeichnet hier also weder einen experimentellen Fehler noch eine Abweichung vom Standardmodell.
Diese Anomalie hinterlässt eine sehr konkrete Folge bei den Zerfällen des Z-Bosons. Positive und negative Ladungen verteilen sich nach vorne und nach hinten nicht exakt gleich. Dieses Ungleichgewicht wurde bereits mit anderen Methoden untersucht, doch die neue Analyse misst den Ladungsfluss direkt in Abhängigkeit vom Winkel.
Der gesamte Ladungsfluss bewahrt eine Information, die direkt mit der elektroschwachen Struktur des Standardmodells zusammenhängt. Die um Detektoreffekte korrigierten Daten zeigen die erwartete Winkelmodulation und stimmen mit den von den Forschenden verwendeten Simulationen überein.
Dies eröffnet vor allem eine neue Möglichkeit, die alten Daten des LEP auszuwerten. Präzisere Analysen werden nun ebenso in Betracht gezogen wie ähnliche Messungen an künftigen Elektron-Positron-Beschleunigern.