LHC findet Hinweise auf Extradimensionen

[tomS]

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.

[seeker]

Vielen Dank für diese äußerst spannende Meldung!
Falls sich das bestätigt, wäre das ja wirklich ein Knüller!

Ich vermute, die Leute am LHC werden noch alle Hände voll zu tun haben mögliche Messfehler (besonders systematische) auszuschließen und die Werte genügend oft zu reproduzieren.
Dann wird es um die bestmögliche Erklärung der Ergebnisse gehen: Ist eine Extradimension die einzig sinnvolle Erklärung dafür? Abwarten auf die spannenden Diskussionen!

Noch ne Frage:
Wenn Impuls und Energie so zunächst teilweise "verschwinden", dann würde man doch erwarten, dass diese anschließend wieder auftauchen - oder?
Tun sie das und wie?

Beste Grüße
seeker

[tomS]

Vielen Dank für diese äußerst spannende Meldung!
Falls sich das bestätigt, wäre das ja wirklich ein Knüller!

Ich vermute, die Leute am LHC werden noch alle Hände voll zu tun haben mögliche Messfehler (besonders systematische) auszuschließen und die Werte genügend oft zu reproduzieren.

Mit Sicherheit. Ich bin sowieso überrascht, dass das in dieser Form publiziert wird. Ich schaue auch unter arxiv, ob sie das dort auch einstellen.

Dann wird es um die bestmögliche Erklärung der Ergebnisse gehen: Ist eine Extradimension die einzig sinnvolle Erklärung dafür?

Wie gesagt, wenn es einfach "fehlende Teilchen" wären, dann müsste der Impuls in einer bestimmten Richtung fehlen. Gerade bei Kollisionen mit hunderten von Sekundärteilchen fehlt der Impuls aber isotrop, d.h. jedes Teilchen kriegt ein bisschen zu wenig davon ab. Eine mögliche Erklärung wäre natürlich, dass nicht einige wenige sondern ebenfalls einige hundert nicht-detektierte Teilchen existeren. Gefällt dir das besser? Warum sollten die so einen geringen Bruchteil an Impuls wegtragen?

Wenn Impuls und Energie so zunächst teilweise "verschwinden", dann würde man doch erwarten, dass diese anschließend wieder auftauchen - oder?

Na, sie sind ja nicht wirklich weg. Stell dir einen Detektor vor, der die x-Komponenten des Impulses misst, jedoch (konstruktionsbedingt) nicht die y- und die z-Komponenten (Radarfalle?). y- und z-Komponente fehlen nur im Sinne der Messung, nicht in Wirklichkeit. Der Detektor am LHC arbeitet aber in drei Raumdimensionen, Impuls in weiteren Dimensionen sieht er nicht.

[seeker]

Wie gesagt, wenn es einfach "fehlende Teilchen" wären, dann müsste der Impuls in einer bestimmten Richtung fehlen. Gerade bei Kollisionen mit hunderten von Sekundärteilchen fehlt der Impuls aber isotrop, d.h. jedes Teilchen kriegt ein bisschen zu wenig davon ab. Eine mögliche Erklärung wäre natürlich, dass nicht einige wenige sondern ebenfalls einige hundert nicht-detektierte Teilchen existeren. Gefällt dir das besser? Warum sollten die so einen geringen Bruchteil an Impuls wegtragen?

Das ist klar. Ich habe keine Ahnung, welche Erklärungen sonst noch sinnvoll sein könnten. Vielleicht DM, exotische Wellen, ein weiteres Feld, Quanteneffekte,... was weiß ich?
Ich bin mir nur sicher (falls sich das bestätigt), dass es zu vielen spannenden Diskussionen/Erklärungen kommen wird.

Na, sie sind ja nicht wirklich weg. Stell dir einen Detektor vor, der die x-Komponenten des Impulses misst, jedoch (konstruktionsbedingt) nicht die y- und die z-Komponenten (Radarfalle?). y- und z-Komponente fehlen nur im Sinne der Messung, nicht in Wirklichkeit. Der Detektor am LHC arbeitet aber in drei Raumdimensionen, Impuls in weiteren Dimensionen sieht er nicht.

Ich meinte: Wenn etwas (Energie/Impuls) in diese (winzige) Extradimension verschwindet, bleibt es dann dort oder fällt es irgendwann später wieder in die normalen Dimensionen "herunter" (so dass man das im Prinzip messen könnte)?

Grüße
seeker

[AlTheKingBundy]

Der Cernsche Schnellschuss verwundert mich doch sehr. Es wurde kaum genügend Datenmaterial gesammelt (wie auch, wenn die Kiste kaum läuft) und man hatte noch weniger Zeit, eine vernünftige Auswertung vorzunehmen. Das Vorgehen scheint mir physikalisch wenig seriös zu sein.

Und so weit ich mich erinnere, sollten messbare Effekte der Stringtheorie bei weit höheren, quasi nie erreichbaren Energien stattfinden. Also, auch wenn etwas Energie "verloren" gehen sollte, dann doch wohl nicht erklärbar durch die Stringtheorie!?

[positronium]

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.

Ist es denn grundsätzlich sinnvoll, einer Dimension eine Grösse zuzusprechen? Ich denke dabei immer an etwas endlos ausgedehntes, in welcher der Raum nur einen Teil nutzt, sich aber frei erweitern kann, also sehe ich keine tatsächlich Grenze, sondern nur eine indirekt messbare, momentane "Nutzung" in die jeweilige Richtung.
Oder ist mit der Grösse vielmehr etwas wie ein Loch gemeint, dessen Grösse unterschritten werden muss, um sich in diese Dimension bewegen zu können?

[tomS]

Der Cernsche Schnellschuss verwundert mich doch sehr. Es wurde kaum genügend Datenmaterial gesammelt (wie auch, wenn die Kiste kaum läuft) und man hatte noch weniger Zeit, eine vernünftige Auswertung vorzunehmen. Das Vorgehen scheint mir physikalisch wenig seriös zu sein.

Ich kann das nicht beurteilen. Es werde schon immer wieder Statusinformationen zur Physik des Standardmodells herausgegeben, allerdings bislang noch nichts prinzipiell unerwartetes / neues.

[tomS]

Der Cernsche Schnellschuss verwundert mich doch sehr. Es wurde kaum genügend Datenmaterial gesammelt (wie auch, wenn die Kiste kaum läuft) und man hatte noch weniger Zeit, eine vernünftige Auswertung vorzunehmen. Das Vorgehen scheint mir physikalisch wenig seriös zu sein.

Ich kann das nicht beurteilen. Es werde schon immer wieder Statusinformationen zur Physik des Standardmodells herausgegeben, allerdings bislang noch nichts prinzipiell unerwartetes / neues.

Ist es denn grundsätzlich sinnvoll, einer Dimension eine Grösse zuzusprechen?

Stell dir einen Gartenschlauch als Modell einer zweidimensionalen Oberfläche vor. Eine Dimension ist unendlich ausgedehnt, so wie du das erwartest; die andere ist ein kleiner Kreis. Ein String könnte sich nun um den Gartenschlauch winden, wobei seine Schwingunsgfrequenzen dann durch den Umfang des Kreises (wie bei einer Saite eines Musikinstrumentes) quantisiert = diskret sind. Die Impulse p der Schwingungen skalieren einerseits mit 1/L, wobei L der Umfang ist, andereseits mit der Spannung der Saite. Für masselose Strings ist aber E ~ p, d.h. erst ab einer gewissen Mindestenergie ~ 1/L können Schwingungen der um den Schlauch gewundenen Saite angeregt werden. Entlang des Schlauches sind beliebig niedrige Energien (kontinuierlich statt diskret) möglich. Insofern kann man aus der minimalen ANregungsenergie umgekehrt die Größe L gemäß L ~ 1/E berechnen.

[positronium]

Stell dir einen Gartenschlauch als Modell einer zweidimensionalen Oberfläche vor. Eine Dimension ist unendlich ausgedehnt, so wie du das erwartest; die andere ist ein kleiner Kreis. Ein String könnte sich nun um den Gartenschlauch winden, wobei seine Schwingunsgfrequenzen dann durch den Umfang des Kreises (wie bei einer Saite eines Musikinstrumentes) quantisiert = diskret sind. Die Impulse p der Schwingungen skalieren einerseits mit 1/L, wobei L der Umfang ist, andereseits mit der Spannung der Saite. Für masselose Strings ist aber E ~ p, d.h. erst ab einer gewissen Mindestenergie ~ 1/L können Schwingungen der um den Schlauch gewundenen Saite angeregt werden. Entlang des Schlauches sind beliebig niedrige Energien (kontinuierlich statt diskret) möglich. Insofern kann man aus der minimalen ANregungsenergie umgekehrt die Größe L gemäß L ~ 1/E berechnen.

Vielen Dank für die Erklärung!
Wenn man bei Energien von 5TeV schon in die Grössenordnung kommt, in der man String-Grössen ermitteln kann, würde das doch bedeuten, dass man bei der am CERN angestrebten Energie prinzipiell alle Teilchen detektieren kann, es sei denn, es gäbe Dimensionen mit unterschiedlicher Grösse?

[seeker]

Hmm...
Lieber Tom, in Anbetracht des besonderen Datums und der Tatsache, dass es ja nicht das erste Mal wäre:
Könntest du uns bitte hier einen Link zur Originalveröffentlichung dieser Meldung einstellen (nur damit man das selbst mal lesen kann...)?

Danke & Grüße
seeker

[tomS]

Man darf sich das so vorstellen, dass man alle Teilchen detektiert, jedoch den Anteil der Energie, der durch die Schwingungen um den Gartenschlauch herum ensteht, nicht sieht. Die 5 TeV entsprächen dem Umfang von (größenordnungsmäßig) 10[up]-20[/up]m.

Ob es in dieser Größenordnung nun eine oder meherer Dimensionen gibt, ist noch nicht klar. Weitere Dimensionen mit kleineren Abmessungen könnte es durchaus geben, aber die würde man erst bei größeren Energien sehen.

[breaker]

Nur mal so aus Interesse...
Ist die Meldung genau von heute?

[tomS]

Also gut, ich gebe auf.

[breaker]

[gravi]

Absolut genial "gedichtet" diese Meldung - Hut ab!
Freut mich, dass hier auch mal der Humor zum Zuge kommt

Dankenden Gruß
gravi

[seeker]

Es ist nicht zu fassen!
Er hat es schon wieder getan!
Und hat mich schon wieder drangekriegt! Dieser !
Dabei habe ich heute Morgen das Haus, gewappnet im Bewusstsein des 1. April, verlassen... dass zum Zeitpunkt des Postings um 0:16 Uhr schon 1. April war habe ich dabei blöderweise übersehen.

Grüße
seeker

[tomS]

Eigentlich schade, dass es nicht wahr ist ...

... LHC Rare Zips steht übrigens für Aprilscherz

[seeker]

Eigentlich schade, dass es nicht wahr ist ...

Genau das habe ich auch gedacht.

Wie ist es denn nun wirklich?
Wie könnte man die postulierten Mini-Extradimensionen nachweisen?

Grüße
seeker

[tomS]

woher soll ich das wissen ...

... die String-Theorie besagt, dass es eine unendliche Anzahl dieser von mir beschriebenen Windungsmoden gibt, besser gesagt, je Windungszahl (und davon gibt es unendlich viele 0, 1, 2, ...) gibt es wiederum unendlich viele Schwingunsgzustände. Diese müsste man nachweisen, aber man kann eben davon ausgehen, dass die erforderlichen Energien nie erreicht werden können.

[AlTheKingBundy]

Nun, ich hatte meine Verwunderung über diese Meldung zum Ausdruck gebracht und bin erleichtert, dass es nicht wahr ist. Cern hätte mit Sicherheit seine physikalische Glaubwürdigkeit verloren. Aber, ein gelungener Aprilscherz. Wenn irgendwann mal die Stringtheorie Bestätigung erfahren würde, schwöre ich der Physik ab

[deltaxp]

tja wer weiss tom, vielleicht machen die Neutrinos aus deinem gelungen scherz von einst ernst dat wärn ding wa!

[tomS]

ich versuche mir aktuelle eine Überblick über mögliche Erklärungen zu verschaffen; angeblich gibt es Ideen zu Extradimensionen, d.h. "Abkürzungen" - was ich mir geometrisch nicht vorstellen kann.

[deltaxp]

in dem einen link von dir war doch ein recht anschauliche erklärung, vielleicht etwas zu anschaulich