A Fifth Force of Nature – We’ll Try to Explain

Sie haben diese Woche vielleicht einige Schlagzeilen über die Entdeckung einer fünften fundamentalen Naturkraft gesehen. Vielleicht haben Sie sogar ein bisschen darüber gelesen, aber dann wahrscheinlich aufgehört zu lesen, weil… Teilchenphysik, Quanten, Bosonen, Kraftträger…

Weg von den Artikeln: Wir sind hier, um zu helfen.

Wenn du dich an irgendetwas aus dem Physikunterricht in der Schule erinnerst, dann vielleicht daran, dass es vier fundamentale Kräfte der Natur gibt.

Sie sind in keiner bestimmten Reihenfolge Gravitation, Elektromagnetismus, die schwache Kernkraft und die starke Kernkraft.

Fünfte? Sollte ich die anderen vier kennen?

Gravitation ist ziemlich einfach zu verstehen: Zwei Dinge, die eine Masse haben (Atome, Menschen, Planeten, Sterne), werden zueinander hingezogen. Je größer die Masse, desto stärker die Anziehung. Easy peasy.

Elektromagnetismus? Nun, das ist einfach, das ist Elektrizität und Magnetismus in einem. Ja, aber das erklärt nicht wirklich, wie es funktioniert. Die elektromagnetische Kraft erklärt, wie Dinge, die elektrisch geladen sind (positiv oder negativ), miteinander interagieren. Eine der wichtigsten Erkenntnisse ist, dass eine magnetische Ladung eine elektrische Ladung erzeugen kann und umgekehrt. Diese Wechselwirkungen sind für die Erzeugung elektrischer Energie verantwortlich, was eine ziemlich große Sache ist. Der Elektromagnetismus und die Art und Weise, wie er Objekte schiebt und zieht, ist für die Energie in Dingen wie Batterien und Magneten verantwortlich, aber er umfasst auch Licht, das nur Wellen elektromagnetischer Strahlung ist.

Die anderen beiden sind die schwache und die starke Kernkraft, und obwohl beide stärker sind als die Schwerkraft, wirken sie nur in den winzigen Zwischenräumen zwischen den Atomen und in den noch kleineren Räumen, in denen die Quantenphysik beginnt, alles wirklich seltsam zu machen.

Die starke Kernkraft ist in der Tat die stärkste der vier bekannten Kräfte und im Grunde der Klebstoff, der alles zusammenhält. Sie ist dafür verantwortlich, dass Protonen und Neutronen (die zusammen mit den Elektronen die Atome bilden) stabil bleiben und sich dann zu Atomkernen zusammenschließen können. Die schwache Kraft hingegen ist für den radioaktiven Zerfall verantwortlich, das Gegenteil der starken Kraft, sie steuert, wie Dinge auf nuklearer Ebene auseinander fallen. Oh, und nebenbei ist sie für die Kernfusion verantwortlich und hält unsere Sonne hell und warm.

Das sind die vier Kräfte, ohne zu sehr ins Detail zu gehen, wie diese Dinge funktionieren.

Wie sieht es also mit einer fünften Kraft aus?

Aber wir müssen ein bisschen in die Tiefe gehen, weil wir wissen müssen, was die Schwerkraft oder eine der anderen Kräfte dazu bringt, ihr Ding zu machen.

Bewegt sich ein Körper mit Masse einfach auf magische Weise auf einen anderen massiven Körper zu? Nein, das wird durch Dinge ermöglicht, die man Kraftträgerteilchen nennt. Kraftträger sind die Teilchen, die Informationen zwischen Dingen transportieren und ihnen sagen, wie sie sich verhalten sollen. Stellen Sie sich die Kraftträger wie kleine Taschenverfassungen für jede der vier Grundkräfte vor. Sie legen nicht nur alle Verhaltensregeln fest, sondern zwingen auch die Kräfte (ha), nach diesen Regeln zu handeln.

Die Kraftträger für die Gravitation sind hypothetische Dinge, die Gravitonen genannt werden, für den Elektromagnetismus sind es die Photonen. Für die schwache Kernkraft heißen die Träger W- und Z-Teilchen und für die starke Kernkraft Gluonen. Diese Kraftträger werden alle als Beispiele für Bosonen eingestuft.

Im letzten Jahr jedoch entdeckte eine Gruppe von Physikern an der Ungarischen Akademie der Wissenschaften, was die Physikabteilung der University of California in Irvine (UCI) als „rätselhafte Anomalien in ihren experimentellen Daten“ bezeichnete. Die Ungarn waren sich nicht sicher, worum es sich bei den Anomalien handelte, aber sie deuteten auf die Existenz einer neuen Art von Lichtteilchen hin. Weiter sind sie nicht gekommen. Sie waren nicht in der Lage herauszufinden, ob dieses neue Teilchen eine Masse hatte oder ob es sich um eine neue Art von Boson ohne Masse handelte, wie ein Photon.

Leider hat die Welt, um Abraham Lincoln zu paraphrasieren, die Arbeit der ungarischen Wissenschaftler „kaum zur Kenntnis genommen und sich nicht lange daran erinnert“

Ausgenommen ein Team von Physikern unter der Leitung von Jonathan Feng, Professor für Physik und Astronomie an der UCI. Feng und sein Team haben sich die Arbeit der Ungarn angesehen, eine Reihe ähnlicher Experimente zusammengetragen und festgestellt, dass die Ungarn in der Tat eine neue Art von Kraftträger-Boson gefunden haben könnten.

„Manchmal“, sagt Feng, „nennen wir es auch einfach das X-Boson, wobei X für unbekannt steht.“ Wenn sie Recht haben, bedeutet ein neues Kraftträgerteilchen, dass es eine neue Kraft geben muss, eine fünfte fundamentale Kraft.

Die Arbeit des Teams wurde gerade in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. „Wenn das stimmt, ist das revolutionär“, sagte Feng. „Seit Jahrzehnten kennen wir vier fundamentale Kräfte… die Entdeckung einer möglichen fünften Kraft würde unser Verständnis des Universums völlig verändern, mit Konsequenzen für die Vereinigung der Kräfte und die dunkle Materie.“

Und nein, wir werden an dieser Stelle nicht einmal auf die dunkle Materie eingehen.

Wo hat sich diese Kraft also versteckt? Feng sagt, dass sie in der Vergangenheit einfach übersehen wurde. „Ihre Wechselwirkungen sind sehr schwach“, sagt Feng.

Aber er fügt hinzu: „Es gibt viele experimentelle Gruppen, die in kleinen Labors auf der ganzen Welt arbeiten, die den anfänglichen Behauptungen nachgehen können, jetzt, wo sie wissen, wo sie suchen müssen.“

Was macht sie also, und was bedeutet sie?

Diese neue Kraft ist dem Elektromagnetismus sehr ähnlich, aber, so Tim Tait, der die Studie mitverfasst hat, „während die normale elektrische Kraft auf Elektronen und Protonen wirkt, interagiert dieses neu entdeckte Boson nur mit Elektronen und Neutronen – und das in einem extrem begrenzten Bereich.“

Aber es sind noch weitere Forschungen nötig, um genau zu bestimmen, was DAS für die Funktionsweise der physikalischen Welt bedeutet.

Wenn diese neue Kraft bestätigt wird, was würde sie dann für unser Verständnis der Welt bedeuten? Das weiß noch nicht einmal Feng. Aber an Spekulationen herrscht kein Mangel. Sie könnte den Wissenschaftlern dabei helfen, den Heiligen Gral der Physik zu finden, die Große Vereinheitlichte Theorie. Diese fünfte Kraft könnte dazu beitragen, die Auswirkungen der elektromagnetischen, der schwachen und der starken Kernkraft zu vereinen, „Manifestationen“, so Feng, „einer größeren, grundlegenderen Kraft.“

Seit langem träumen Physiker davon, herauszufinden, ob oder wie der Elektromagnetismus, die starke und die schwache Kernkraft zusammenwirken, und diese neue Kraft könnte ein großes Teil dieses Puzzles sein.

Wenn wir die Existenz dieser fünften Kraft nachweisen können, könnte sie uns einen Schritt näher an das Verständnis der Funktionsweise unseres Universums heranbringen.

Verstanden?