LHC findet Hinweise auf Extradimensionen
Verfasst: 1. Apr 2011, 00:16
Laut einer neuen CERN Vorabveröffentlichung (LHC Rare Zips Preprints; noch nicht in einer Fachzeitschrift erschienen) ist es Forschern am ATLAS Experiment gelungen, die Existenz mindestens einer weiteren Raumdimension nachzuweisen – vorsichtiger ausgedrückt, sie präsentieren Indizien dafür.
Über die Existenz zusätzlicher Dimensionen wird ja im Rahmen der Stringtheorie seit langem spekuliert; bzgl. des LHCs wurde auch diskutiert, ob dies bei genügend „großen“ Abmessungen der zusätzlichen Dimensionen zur Produktion relativ leichter Schwarzer Löcher im Energiebereich von einigen TeV führen könnte. Nun ist die Idee der zusätzlichen Dimensionen wesentlich älter als die Stringtheorie (Kaluza 1921; Klein 1926 mit der Idee der Kompaktifizierung) und auch unabhängig von der Stringtheorie denkbar. Die neuen Ergebnisse haben auch nichts mit diesen Mini-Schwarzen-Löchern zu tun, über die so viel spekuliert wurde. Ebensowenig steht ein direkter Nachweis der Modifizierungen des Newtonschen Gesetzes zur Diskussion.
Zur Erinnerung: das Newtonsche Gesetz besagt, dass die Gravitationskraft F(r) mit dem Abstand r skaliert wie F(r) ~ 1/r[up]2[/up]. Generell gilt in d Raumdimensionen das Verhalten F(r) ~ 1/r[up]n[/up] mit n=d-1. Präzisionsmessungen des Newtonsche Gesetz im Bereich einiger Millimeter bin in den Sub-Millimeter-Bereich haben bisher keine Abweichungen vom erwarteten Verhalten für d=3 gezeigt.
Bei CERN wurden nun Ergebnisse präsentiert, die zunächst wie eine geringfügige Verletzung des Energie- und Impulserhaltungssatzes aussehen. Energie und Impuls scheinen ab einer Schwerpunktsenergie von ca. 5 TeV außerhalb des 4-dim. Raumzeitkontinuums „abzufließen“, d.h. ab dieser Schwelle werden die zusätzliche(n) Dimension(en) „sichtbar“.
Dies klingt alles ziemlich exotisch, ist es aber zunächst nicht. Bisher wurde fehlende Energie nie mit Extradimensionen sondern immer mit nicht-detektierten Teilchen in Verbindung gebracht. Dabei werden verschiedene Detektorergebnisse in Beziehung gesetzt; zum einen werden möglichst für alle detektierten Teilchen die Massen und Impulse aus der Geometrie der Bahnkurven bestimmt; zum anderen werden unabhängig davon möglichst alle Teilchen im Kalorimeter (äußerster Detektor) gestoppt und die deponierte Energie direkt gemessen. Außerdem kennt man die Schwerpunkts- bzw. Kollisionsenergie. Fehlende Energie bedeutet zunächst fehlende Teilchen im Detektorsignal und damit schlichtweg einen Messfehler, aufgrund dessen dieses Kollisionsereignis für die weitere Analyse zu verwerfen ist. Im Falle von Neutrinos, für die meist keine geeigneten Detektoren zur Verfügung stehen, werden jedoch bestimmte Muster an fehlender Energie als Hinweis auf nicht-detektierte Neutrinos gewertet, wenn sich eine statistisch signifikante Häufung eines bestimmten Musters ergibt. Auch das leichteste SUSY-Teilchen, das (da es eben das leichteste ist) mit normaler Materie nicht weiter wechselwirken kann, soll über ein derartiges Muster fehlender Energie (und Impuls) detektiert werden.
Was unterscheidet nun die neuen Ergebnisse, so dass man nicht von einer mangelhaften oder unvollständigen Detektion ausgeht, sondern von Energietransport in Extradimensionen? Es handelt sich dabei wiederum um die statistische Signatur der Prozesse. Gehen wir davon aus, dass ein entstehendes Neutrino einen gewissen Impuls sowie Energie trägt, jedoch nicht detektiert wird. Dann wird neben der Energie auch Impuls fehlen, und zwar in einer bestimmten Richtung, die sich aus der Summe aller anderen, detektierten Teilchen ergibt. Über alle Kollisionen gemittelt ist keine Richtung ausgezeichnet, für jede einzelne Kollision mit fehlendem Impuls gibt es dagegen eine ausgezeichnete Richtung, in der ein einzelnes Neutrino entwichen ist und in der „Impuls fehlt“. Im Falle des Energietransportes in Extradimensionen sieht dies anders aus: hier fehlt der Impuls je Kollision in keiner bestimmten Richtung; es sieht eher so aus, als ob jedes einzelne detektierte Teilchen eben etwas zu wenig Impuls trägt (der Gesamtimpuls ist jedoch identisch Null, d.h. die Impulserhaltung ist erfüllt) und somit die Gesamtenergie nicht erhalten ist. Das Impulsdefizit ist also isotrop und für sich alleine mit dem Gesamtimpuls Null verträglich (dies gilt insbs. für Kollisionen mit einer großen Anzahl an erzeugten Teilchen).
Die Experimente erlauben ggw. keine Aussage über die Anzahl und Geometrie der Extradimensionen; klar scheint nur zu sein, dass es mindestens eine geben muss; die Energie von 5 TeV entspricht einer Längenskala von ca. 10[up]-20[/up]m; dies wäre demnach die typische Größenordnung der Extradimension(en). Die genaue Geometrie ergäbe sich aus einer genaueren Messung der Verteilungsfunktionen der fehlenden Energie- und Impuls-Komponenten. Die „Größe“ und „Form“ der Extradimensionen bestimmt sozusagen, „wie“ die Energie „abfließen“ kann.
Über die Existenz zusätzlicher Dimensionen wird ja im Rahmen der Stringtheorie seit langem spekuliert; bzgl. des LHCs wurde auch diskutiert, ob dies bei genügend „großen“ Abmessungen der zusätzlichen Dimensionen zur Produktion relativ leichter Schwarzer Löcher im Energiebereich von einigen TeV führen könnte. Nun ist die Idee der zusätzlichen Dimensionen wesentlich älter als die Stringtheorie (Kaluza 1921; Klein 1926 mit der Idee der Kompaktifizierung) und auch unabhängig von der Stringtheorie denkbar. Die neuen Ergebnisse haben auch nichts mit diesen Mini-Schwarzen-Löchern zu tun, über die so viel spekuliert wurde. Ebensowenig steht ein direkter Nachweis der Modifizierungen des Newtonschen Gesetzes zur Diskussion.
Zur Erinnerung: das Newtonsche Gesetz besagt, dass die Gravitationskraft F(r) mit dem Abstand r skaliert wie F(r) ~ 1/r[up]2[/up]. Generell gilt in d Raumdimensionen das Verhalten F(r) ~ 1/r[up]n[/up] mit n=d-1. Präzisionsmessungen des Newtonsche Gesetz im Bereich einiger Millimeter bin in den Sub-Millimeter-Bereich haben bisher keine Abweichungen vom erwarteten Verhalten für d=3 gezeigt.
Bei CERN wurden nun Ergebnisse präsentiert, die zunächst wie eine geringfügige Verletzung des Energie- und Impulserhaltungssatzes aussehen. Energie und Impuls scheinen ab einer Schwerpunktsenergie von ca. 5 TeV außerhalb des 4-dim. Raumzeitkontinuums „abzufließen“, d.h. ab dieser Schwelle werden die zusätzliche(n) Dimension(en) „sichtbar“.
Dies klingt alles ziemlich exotisch, ist es aber zunächst nicht. Bisher wurde fehlende Energie nie mit Extradimensionen sondern immer mit nicht-detektierten Teilchen in Verbindung gebracht. Dabei werden verschiedene Detektorergebnisse in Beziehung gesetzt; zum einen werden möglichst für alle detektierten Teilchen die Massen und Impulse aus der Geometrie der Bahnkurven bestimmt; zum anderen werden unabhängig davon möglichst alle Teilchen im Kalorimeter (äußerster Detektor) gestoppt und die deponierte Energie direkt gemessen. Außerdem kennt man die Schwerpunkts- bzw. Kollisionsenergie. Fehlende Energie bedeutet zunächst fehlende Teilchen im Detektorsignal und damit schlichtweg einen Messfehler, aufgrund dessen dieses Kollisionsereignis für die weitere Analyse zu verwerfen ist. Im Falle von Neutrinos, für die meist keine geeigneten Detektoren zur Verfügung stehen, werden jedoch bestimmte Muster an fehlender Energie als Hinweis auf nicht-detektierte Neutrinos gewertet, wenn sich eine statistisch signifikante Häufung eines bestimmten Musters ergibt. Auch das leichteste SUSY-Teilchen, das (da es eben das leichteste ist) mit normaler Materie nicht weiter wechselwirken kann, soll über ein derartiges Muster fehlender Energie (und Impuls) detektiert werden.
Was unterscheidet nun die neuen Ergebnisse, so dass man nicht von einer mangelhaften oder unvollständigen Detektion ausgeht, sondern von Energietransport in Extradimensionen? Es handelt sich dabei wiederum um die statistische Signatur der Prozesse. Gehen wir davon aus, dass ein entstehendes Neutrino einen gewissen Impuls sowie Energie trägt, jedoch nicht detektiert wird. Dann wird neben der Energie auch Impuls fehlen, und zwar in einer bestimmten Richtung, die sich aus der Summe aller anderen, detektierten Teilchen ergibt. Über alle Kollisionen gemittelt ist keine Richtung ausgezeichnet, für jede einzelne Kollision mit fehlendem Impuls gibt es dagegen eine ausgezeichnete Richtung, in der ein einzelnes Neutrino entwichen ist und in der „Impuls fehlt“. Im Falle des Energietransportes in Extradimensionen sieht dies anders aus: hier fehlt der Impuls je Kollision in keiner bestimmten Richtung; es sieht eher so aus, als ob jedes einzelne detektierte Teilchen eben etwas zu wenig Impuls trägt (der Gesamtimpuls ist jedoch identisch Null, d.h. die Impulserhaltung ist erfüllt) und somit die Gesamtenergie nicht erhalten ist. Das Impulsdefizit ist also isotrop und für sich alleine mit dem Gesamtimpuls Null verträglich (dies gilt insbs. für Kollisionen mit einer großen Anzahl an erzeugten Teilchen).
Die Experimente erlauben ggw. keine Aussage über die Anzahl und Geometrie der Extradimensionen; klar scheint nur zu sein, dass es mindestens eine geben muss; die Energie von 5 TeV entspricht einer Längenskala von ca. 10[up]-20[/up]m; dies wäre demnach die typische Größenordnung der Extradimension(en). Die genaue Geometrie ergäbe sich aus einer genaueren Messung der Verteilungsfunktionen der fehlenden Energie- und Impuls-Komponenten. Die „Größe“ und „Form“ der Extradimensionen bestimmt sozusagen, „wie“ die Energie „abfließen“ kann.
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