Physik Elementarteilchen aus der Antarktis wirbeln die Physik durcheinander

Die oberirdische Zentrale des "IceCube"-Detektors. Das Instrument soll eigentlich Neutrinos aufspüren.

(Foto: IceCube Collaboration/NSF)
  • Ein Detektor in der Antarktis hat zwei rätselhafte Teilchen entdeckt, die nicht aus dem Weltall kamen, sondern aus dem Eis der Antarktis.
  • Seitdem rätseln Physiker, auf was sie da gestoßen sind. Es könnte sich um eine neue, bislang noch nie entdeckten Klasse von Elementarteilchen handeln.
  • Eine These ist, dass die Teilchen sogenannte "Stau-Sleptons" sind.
  • Der Fund - sollte er sich bestätigen - könnte helfen, Lücken in gängigen Modellen der Physik zu schließen.
Von Patrick Illinger

Anita soll eigentlich in die andere Richtung blicken. Nicht auf den Boden, sondern nach oben, ins Weltall. Von dort, aus den weiten des Kosmos, kommen üblicherweise all jene Partikel, die für Astro-Teilchenphysiker interessant sind. Deswegen haben Experten der Nasa Anita gebaut, einen Detektor, der an einem Ballon über dem Südpol schwebt. Doch in den vergangenen Jahren hat Anita (Antarctic Impulsive Transient Antenna) zwei rätselhafte Teilchen entdeckt, die nicht von oben kamen, sondern von unten, aus dem Eis der Antarktis.

Womöglich wird es dafür eine banale Erklärung geben. Sogenannte Neutrinos zum Beispiel, das sind nahezu masselose Elementarteilchen ohne elektrische Ladung, können den gesamten Erdball durchqueren, ohne je mit einem Atom zu kollidieren, und wenn es der Zufall will, prallen sie dann doch auf eines im Eispanzer des Südkontinents. Zudem gibt es massenhaft Neutrinos, in jeder Sekunde fliegen Milliarden von ihnen unbemerkt durch jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche und auch durch Menschen hindurch. Doch die beiden Ereignisse, die Anita gemessen hat, sind so sonderbar, dass Physiker eine weitaus aufregendere Erklärung für möglich halten: die Signatur einer neuen, bislang noch nie entdeckten Klasse von Elementarteilchen.

Das Standardmodell hat Lücken

So richtig bestürzt wären die Teilchenphysiker darüber nicht. Seit Jahren wissen sie, dass ihr bisheriges Modell zur Deutung der Teilchenwelt, das sogenannte Standardmodell, große Lücken hat. Die Erforscher des Mikrokosmos sind überzeugt, dass es noch viel zu entdecken gibt, entweder in irdischen Teilchenbeschleunigern wie jenen am Forschungszentrum CERN, oder im Kosmos, wo natürliche Teilchenbeschleuniger, zum Beispiel Supernovae, Partikel mit noch viel höheren Energien erzeugen. Hat Anita also die Tür zu neuer Physik aufgestoßen?

Mehrere fantasievolle Theorien zu den beiden merkwürdigen Messungen wurden bereits veröffentlicht, darunter die Idee, dass es innerhalb der Erdkugel eine andere Dichteverteilung von Dunkler Materie gibt als im Weltall. Eine vergleichsweise plausibel klingende Erklärung hat soeben eine Gruppe Physiker in einer noch nicht von Fachkollegen begutachteten Veröffentlichung vorgestellt (Arxiv). Astrophysiker der amerikanischen Penn State University behaupten darin, es habe noch mehr dieser seltsamen Partikel-Einschläge gegeben, die scheinbar von unten aus dem Erdinneren kamen.

Der relativ neue, riesige Neutrino-Detektor Ice Cube, für den mehr als 5000 lichtempfindliche Sensoren bis zu 2450 Meter tief im antarktischen Eis versenkt wurden, habe drei weitere solcher Einschläge beobachtet. Diese Messungen seien bislang nur nicht mit den Ereignissen in Zusammenhang gebracht worden, die Anita aufgezeichnet hat. Nach genauer Analyse aller Messungen kommen die Theoretiker zu dem Schluss, dass die auslösenden Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht zum bisher bekannten Standardmodell der Teilchenphysik passen.

Spekulationen über supersymmetrische Teilchen

Mehrere Fachkollegen äußerten im Internet bereits Zustimmung zu dieser These. Eine Hürde bei der Beweisführung ist, dass weder Anita noch Ice Cube hochenergetische Teilchen direkt messen, sondern nur anhand von Splitterprodukten, sogenannte Teilchenschauer, welche der primäre Einschlag auslöst. Aus diesem Grund kommen mehrere Erklärungen für das Ursprungspartikel infrage. Das wiederum heizt die Phantasie der Physiker an, die eine Vielzahl möglicher Deutungen aufbieten. Als wahrscheinlichster Auslöser der seltsamen, von unten nach oben schießenden Teilchenschauer, wird indes ein heißer Kandidat gehandelt: ein sogenanntes Stau-Slepton.

Der seltsame Name ist eine Kombination der Bezeichnung Tau-Lepton, eines längst bekannten Teilchens mit je einem "S" vor den Namensbestandteilen. Dieses steht für Supersymmetrie. Das ist eine von vielen Physikern unterstützte Theorie, wonach es für alle bislang bekannten Elementarteilchen eine Art Spiegelpartner in einer supersymmetrischen Welt gibt. Die Schwächen des bisherigen Standardmodells könnten mit der Existenz supersymmetrischer Teilchen abgestellt werden.

Doch ist es nach Ansicht der Physiker zu früh, sich auf ein bestimmtes neues Elementarteilchen als Auslöser jener Ereignisse zu schließen, die Anita und Ice Cube gemessen haben.

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