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TEILCHENPHYSIK
Zwölf Fermionen sind genug
Redaktion / Pressemitteilung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)
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19. Dezember 2012

Wie viele Fermionen gibt es in der Natur? Mit dieser Frage beschäftigen sich Teilchenphysiker schon seit langer Zeit. Existieren vielleicht mehr als die zwölf bereits bekannten Materieteilchen des Standardmodells? Eine kürzlich veröffentlichte Analyse aller bisher verfügbaren Daten kommt nun zu einem recht eindeutigen Ergebnis: Zwölf Fermionen sind der Natur genug.

CMS
 
Die Daten der großen Detektoren wie dem CMS am CERN in Genf ermöglichten die jetzt vorgestellte Analyse. Bild: KIT/ Markus Breig

Fermionen, manchmal auch als "Materieteilchen" bezeichnet, bilden die elementaren Bausteine der Materie. Alles, was wir auf der Erde oder durch Teleskope sehen, ist aus ihnen aufgebaut. "Aber lange Zeit war nicht klar, ob wir alle Bausteine kennen", erklärt Ulrich Nierste, Professor am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Das Standardmodell der Teilchenphysiker kennt bislang zwölf Fermionen. Aufgrund ihrer ähnlichen Eigenschaften teilt man sie in drei sogenannte Generationen aus jeweils vier Teilchen ein.

Nur die erste Generation kommt in nennenswerter Menge außerhalb von Teilchenbeschleunigern vor. Zu ihr gehören das Elektron, das Elektronneutrino sowie das up-Quark und das down-Quark. Aus up- und down-Quarks sind schwerere Teilchen wie Protonen und Neutronen und damit alle Elemente des Periodensystems aufgebaut. In der zweiten und dritten Generation finden sich weitere Quark- und Neutrino-Varianten sowie das Myon und das Tau-Lepton.

Doch warum gibt es in der Natur überhaupt diese zweite und dritte Generation von Elementarteilchen und gibt es vielleicht sogar noch eine vierte, bislang unentdeckte Generation? Mit dieser Frage hat sich nun eine Gruppe von Teilchenphysikern vom KIT, der Humboldt-Universität in Berlin und des CERN in Genf beschäftigt und glaubt zumindest eine Frage nun endgültig beantworten zu können: Im Standardmodell der Teilchenphysik, so die Wissenschaftler, gibt es genau drei Fermionen-Generationen.

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Für ihre Analyse kombinierten die Forscher die neusten Daten, die mit den Teilchenbeschleunigern Large Hadron Collider (LHC) am Genfer CERN und Tevatron des Fermilab im US-Bundesstaat Illinois gesammelt wurden, sowie viele bekannte Messergebnisse zu Teilchen wie dem Z-Boson oder dem top-Quark. Eine statistische Analyse ergab dann, dass mit einer Wahrscheinlichkeit von 99,99999 Prozent die Existenz von weiteren Fermionen ausgeschlossen werden kann.

Die wichtigste Rolle spielten dabei die Daten über das vor kurzem mit hoher Wahrscheinlichkeit entdeckte Higgs-Teilchen. Das Higgs-Teilchen gibt allen anderen Teilchen ihre Masse. Da zusätzliche Fermionen in Beschleunigerexperimenten nicht direkt nachgewiesen wurden, müssen sie schwerer sein als die bisher bekannten Fermionen. Das würde bedeuten, dass sie auch stärker mit dem Higgs-Teilchen wechselwirken müssten. Diese Wechselwirkung würde die Eigenschaften des Higgs-Teilchens derart verändern, dass man es noch nicht hätten nachweisen können.

Mit dem Ausschluss der vierten Fermionen-Generation ist die erste der bekannteren offenen Frage der Teilchenphysik durch Messungen des neuen Beschleunigerringes LHC am CERN gelöst worden. "Das Standardmodell der Teilchenphysik kann nun bei den Fermionen als abgeschlossen betrachtet werden", so Nierste, der auch an der Studie beteiligt war. Dennoch würden weitere spannende Fragen bleiben: So interessieren sich die Forscher etwa für die genauen Eigenschaften des gerade entdeckten Higgs-Teilchens oder den Grund dafür, warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt.

Die Teilchenphysiker veröffentlichten ihre Ergebnisse jetzt in der Fachzeitschrift Physical Review Letters.

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siehe auch
CERN: Higgs-Teilchen am LHC entdeckt? - 4. Juli 2012
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
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