Die Quantenwelt mit ihren eigenen Waffen erobern: Die erste Teilchen-Simulation auf einem Quantencomputer?

tl;dr Forscher aus Innsbruck haben ein kleines Quantensystem aus vier Kalziumionen verwendet, um in einer extrem vereinfachten Version der Quantenelektrodynamik die spontane Erzeugung von Teilchen und Antiteilchen zu simulieren.

Während alle geduldig darauf warten, auf der ICHEP-Konferenz im August davon enttäuscht zu werden, dass es doch kein neues Teilchen der Masse 750 GeV gibt welches die Physik revolutioniert hätte, und während der LHC weiter mit Rekordgeschwindigkeit neue Daten sammelt, passieren noch andere spannende Dinge im Dunstkreis der Teilchen- und Hochenergiephysik.

Seit ein paar Tagen macht beispielsweise diese Veröffentlichung in Nature die Runde, in der von der ersten Simulation von Elementarteilchen-Prozessen auf einem Quantencomputer berichtet wird (hier ein frei verfügbarer Preprint, hier die Pressemeldung des Instituts für Quantenoptik).

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Das schwerste Teilchen, das Higgs, und der Weltuntergang

oder: was hat das Universum mit einem Dampfkessel gemeinsam?

tl;dr Könnte das schwerste bisher bekannte Teilchen den Weltuntergang auslösen? Jein, aber es besteht kein unmittelbarer Grund zur Beunruhigung, und die theoretische Begründung ist ziemlich gewagt.

Auch wenn man sich vom Large Hadron Collider vor allem Entdeckungen neuer Teilchen und Kräfte erhofft, ist das doch nur die Kür neben einem ebenso wichtigen Pflichtprogramm – der genaueren Vermessung der schon bekannten Teilchen und Wechselwirkungen. Dabei kann auch bei dieser vermeintlichen Routinearbeit eine sensationelle Entdeckung gemacht werden – Wenn beispielsweise herauskäme, dass das 2012 entdeckte Higgs-Teilchen wesentlich häufiger oder seltener in bestimmte andere Teilchen zerfällt als erwartet, wäre das ähnlich revolutionär, als wenn man gleich ein neues Teilchen entdecken würde – beides würde das seit Jahrzehnten als Königin der Quantentheorien regierende Standardmodell der Teilchenphysik vom Thron stoßen.

Die Eigenschaften des schwersten bisher bekannten Elementarteilchens – des Top-Quarks – genauer zu kennen, ist besonders wichtig für unser Verständnis der fundamentalen Wechselwirkungen: Durch seine Masse ist es dasjenige der bekannten Teilchen, das am stärksten mit dem massenspendenden Higgsfeld wechselwirkt, und damit wohl auch am stärksten mit seiner Teilchenanregung, dem Higgs-Boson. Damit stellt es ein wichtiges Fenster zum besseren Verständnis dieses für die Forschung noch so jungen Teilchens dar. Um die Eigenschaften des Higgs-Teilchens richtig interpretieren zu können, ist es also wichtig, die Masse des Top-Quarks möglichst genau zu kennen – eine alles andere als triviale Aufgabe! Auf der gerade zuende gehenden LHCP-Konferenz in Lund wurde eine neue kombinierte Analyse von Messungen dieser wichtigen Größe gezeigt, und das ist das Ergebnis:

Weighing in on the top quark mass: https://t.co/2nVakuumTGraTmYg #LHCP2016 pic.twitter.com/ATaX05ByAp

— ATLAS Experiment (@ATLASexperiment) June 15, 2016

 

Der tiefste Punkt der Parabel rechts ist der „beste Fit“ der Masse, also der Wert, bei dem das Theoriemodell am besten zu den Messdaten passt. Er liegt für die neue Kombination bei etwa 172.9 GeV. Zum Vergleich, ein einzelnes Goldatom wiegt etwa 183 GeV, ein Wasserstoffatom wiegt etwa 1 GeV, das Higgs-Teilchen etwa 125 GeV, und ein Elektron 0.000511 GeV. Dass das Top so schwer ist, wissen wir schon seit seiner Entdeckung im Jahr 1995.

Die genaue Masse des Tops zu kennen, ist aber noch aus einem anderen, kosmisch überraschend bedeutsamen Grund wichtig: Die Stabilität des Universums an sich könnte davon abhängen! Wie kann das sein? Nun, das Higgs-Feld hat zur Zeit überall im sichtbaren Universum einen bestimmten Wert, den man durch Messungen schon lange zu etwa 175 GeV bestimmen konnte – diese Zahl gibt gewissermaßen die grobe Massenskala vor, an der sich alles abspielt, was mit der elektro-schwachen Wechselwirkung zu tun hat. So liegen die Massen der W-, Z-, und Higgs-Bosonen, also der wichtigsten Akteure der schwachen Wechselwirkung, mit 80, 91 und 125 GeV gerade bei dieser Größenordnung. Weshalb viele der anderen Teilchen so viel leichter sind – das ist eine Geschichte für sich, und auch noch nicht wirklich verstanden, sofern es da etwas zu verstehen gibt. Das Higgs-Feld hat also diesen Wert, und der bleibt nicht nur dieser Tage schön konstant, sondern kann sich auch in den letzten 14 Milliarden Jahren nicht wesentlich verändert haben, denn wenn er sich ändern würde, hätte das solch einen schwerwiegenden Einfluss auf die Eigenschaften der übrigen Teilchen, dass die Materie, wie wir sie kennen, nicht existieren könnte.

Was stellt aber sicher, dass der Wert des Higgs-Feldes immer so schön gleich bleibt? Die Tatsache, dass es Energie kosten würde, wenn das Higgs-Feld einen anderen Wert annimmt! Aus dem gleichen Grund tauchen nicht plötzlich aus dem Nichts starke magnetische oder elektrische Felder auf – der Zustand ohne Feld hat eine niedrigere Energie, und will man dauerhaft eines haben, muss man welche reinstecken. Solange jeder andere Wert des Higgs-Felds also einer höheren Energie entspricht, wird sich das Feld abgesehen von kurzfristigen Quantenfluktuationen nie dauerhaft vom Status Quo wegbewegen. Von der so gewonnenen Stabilität hängt unsere Existenz ab.

Schaut man sich die Wechselwirkungen zwischen dem Higgs-Feld und dem Top-Quark aber genauer an, stellt man fest, dass sie das Higgs-Feld destabilisieren können! Wäre das wirklich so, könnte das Higgs-Feld spontan anfangen, in sich mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnenden Blasen zu einem riesigen Wert zu springen, an dem es aber eine niedrigere Energie hätte als jetzt. Das Prinzip ist ähnlich wie bei einem Dampfkessel beim Siedeverzug, in dem das überhitzte Wasser schlagartig zu sieden beginnt und den Kessel zerreißt. Die Welt, wir wir sie kennen, würde dieses Spektakel nicht überleben. Ob wir uns laut Theorie in diesem Bereich der Instabilität befinden, wird in dieser Grafik gezeigt:

(Quelle: Jose Espinosa, http://arxiv.org/abs/arXiv:1512.01222, und Referenzen)

Hier sind drei Regionen eingezeichnet: Stabilität, Meta-Stabilität und Instabilität. Im grünen Bereich ist… alles im grünen Bereich. Ist das Top-Quark leicht genug und/oder das Higgs-Teilchen schwer genug, bleibt die Energie groß genug und der aktuelle Wert des Higgs-Felds ist gesichert. Ist das Top-Quark etwas schwerer und/oder das Higgs-Teilchen etwas leichter, befinden wir uns im roten Bereich: Hier könnte das Higgs-Feld spontan einen neuen Wert annehmen und zum Weltuntergang führen. Im gelben Bereich könnte das Universum zwar im Prinzip die Krätsche machen, der Energiegewinn wäre dabei aber klein genug, dass das selbst auf kosmischen Zeitskalen extrem unwahrscheinlich ist.

Diese Grafiken haben sich in den vergangenen Jahren nicht stark verändert, und bemerkenswerterweise lagen die gemessenen Werte schon seit geraumer Zeit genau an der Grenze zwischen theoretischer Stabilität und Instabilität! Ob das etwas zu bedeuten hat, und was, das weiß niemand sicher, aber es ist zumindest eine bemerkenswerte Tatsache. Die neuen Messungen der Masse des Top-Quarks liegen mit 172.9 GeV innerhalb dieser älteren Schranken, zementieren aber noch einmal die Tatsache, dass wir uns abseits des grünen Bereichs in der – prinzipiell – instabilen Region befinden, in der das Universum – im Prinzip – durch eine Art kosmischen Schluckauf vernichtet werden könnte. Wir lägen aber in einem Bereich, in dem dieses Unglück so extrem unwahrscheinlich ist, dass es auch in einem Vielfachen des Alters des Universums nicht eintreten wird.

All das ist aber mit einer großen Prise Salz zu nehmen: Die Herleitung der Instabilität des Higgs-Feldes ist die Vorhersage einer Theorie – des Standardmodells der Teilchenphysik –  und um sie zu machen, muss man davon ausgehen, dass diese Theorie über viele Größenordnungen der Energie unverändert ihre Gültigkeit behält. Findet man morgen neue Teilchen am Large Hadron Collider, würde das dieses Bild potentiell komplett über den Haufen werfen. Wir wissen noch nicht, wie die Neutrinos ihre Masse bekommen, und wir wissen nicht, aus was die Dunkle Materie besteht – all diese offenen Fragen legen nahe, dass das Bild, wie es von den Stabilitätsgrafiken oben gezeichnet wird, nur ein vorläufiges ist. Ob das Higgs-Feld wirklich stabil oder instabil ist, werden wir möglicherweise nie wirklich herausfinden können. Dass wir aber zumindest laut der aktuellen Theorie scheinbar an der Klippe, am Rand der Katastrophe leben, lädt dennoch zum Grübeln ein – was will uns die Natur damit wohl sagen…

 

Die Stunde der Wahrheit naht – gibt es ein 750 GeV – Boson?

Der Large Hadron Collider führte im letzten Jahr erstmals mit einer Rekordenergie von 13 TeV Messungen durch – die Menge der Daten blieb allerdings aufgrund verschiedener technischer Probleme hinter den Erwartungen zurück. Dieses Jahr scheint es viel besser zu laufen, denn trotz des Zwischenfalls mit Marder steigt die gesammelte Datenmenge schnell an und wird voraussichtlich bald die Messungen des gesamten letzten Jahres überholen, die in beiden Experimenten etwa 4 inverse Femtobarns Umfang hatten (zur Erklärung der Bedeutung von Barns und Femtobarns siehe hier).

So ist der aktuelle Stand bei CMS, dem einen der beiden großen Experimente:

Quelle

(Merke: 3000 inverse Picobarns = 3 inverse Femtobarns – das mit den Pico und Femto ist umgedreht, da man den Kehrwert betrachtet)

Das hier ist der Plot des ATLAS-Experiments aus den alten Daten, der zusammen mit Ergebnissen von CMS seit letzten Winter wegen des kleinen Bumps bei 750 GeV Masse für Aufregung sorgt:

Wie man ablesen kann, wurden damals nur 3.2 inverse Femtobarns an Daten verwendet, eine Menge, die demnächst von den Experimenten erneut erreicht wird! Natürlich wird die Folgeanalyse vermutlich nicht übermorgen einfach so aus dem Experiment purzeln und publiziert werden – die Daten müssen erstmal aufgedeckt werden, die Analyse durchgeführt, und von den Kollaborationen für eine Vorveröffentlichung approved werden. All das dauert eine Weile, wie die Experimentalphysiker besser wissen als ich.

Nun gibt es im Prinzip ungefähr drei Möglichkeiten, was passieren könnte – ein ähnlich großer Überschuss wie der von 2015 könnte in den neuen Daten an gleicher Stelle auftauchen – dann müsste man natürlich noch eine anständige kombinierte Analyse anstrengen, um die wirkliche statistische Signifikanz aller Messungen zu ermitteln, aber psychologisch wäre die Sache klar – fast jeder würde davon ausgehen, dass es dort ein neues Teilchen gibt. Die Aufregung wäre dann groß, man wird davon reden hören, dass in der Physik nichts mehr so ist, wie es war, und verschiedene Leute schauen sich auf TripAdvisor schon mal an, was es in Stockholm sonst noch so zu sehen gibt.

Es könnte sein, dass rein gar nichts signifikantes zu sehen ist – das wäre die Erwartung, wenn der Bump nur ein statistischer Ausreißer war. In dem Fall würden die Sektflaschen wieder in den Keller gestellt, und bis auf wenige Optimisten würden die meisten davon ausgehen, dass es hier nichts mehr zu sehen gibt.

Besonders schmerzhaft wäre es, wenn wir zwischen den beiden Fällen landen  – eine kleine Fluktuation nach oben in der Nähe der 750 GeV, die man plausibel als erneuten Zufallsausreißer abtun könnte, aber auch als Bestätigung, dass da ein neues Teilchen ist, dessen Signal nur durch eine kleine Fluktuation *nach unten* geschwächt wurde. In diesem Fall würde die Diskussion vermutlich genau so weitergehen wie bisher, und noch ein paar dutzend Theoriepapiere geschrieben, die erklären, weshalb die Produktion des 750 GeV-Bosons vom Stand der Planeten abhängt und deshalb 2016 nicht so gut gelingt. Zum Glück würden wir dann aber nicht zu lange auf mehr Daten vom LHC warten, und die Klärung würde sich vermutlich nur um ein paar Monate verschieben.

Bei all dem Gerede über die 750 GeV darf man natürlich nicht vergessen, dass möglicherweise noch ganz andere Dinge in den Daten entdeckt werden könnten. Also – Ohren auf, was in der Gerüchteküche so braut!

Nachtrag zur möglichen Entdeckung eines leichten Bosons in Ungarn

Kürzlich hatte ich über Hinweise aus einem ungarischen Kernphysikexperiment auf ein bisher unbekanntes leichtes Boson geschrieben (siehe auch der Beitrag bei Astrodicticum). Dass solche potentiell bahnbrechenden Entdeckungen immer mit gesunder Skepsis betrachtet und erst mal repliziert werden müssen, ist sowieso klar. Jetzt äußern einige Forscher allerdings Zweifel an der Verlässlichkeit des Experiments, die über diese standard-Skepsis hinausgehen.

Offenbar hat die Arbeitsgruppe in Debrecen, von der das Ergebnis stammt, eine ganze Historie von Behauptungen, neue Bosonen bei verschiedenen Massen entdeckt zu haben – all diese Signale waren mit neuem Equipment oder mehr Messdaten verschwunden oder wurden nicht weiter verfolgt – im oben verlinkten Artikel wird der Verdacht geäußert, dass hier möglicherweise Negativergebnisse ignoriert und Positivergebnisse publiziert wurden, eine Vorgehensweise, die verzerrte, unberechtigt hohe statistische Signifikanzen erzeugt und daher verpönt ist (aus diesem Grund werden bei Experimenten am LHC erst die Analysemethoden festgelegt und dann erst die neuen Daten aufgedeckt).

Immerhin wurde die aktuelle Messung im renommierten Journal PRL veröffentlicht und enthält laut der Aussage der Gutachter keine offensichtlichen Fehler. Es bleibt uns wohl nur übrig – wie auch vorher schon – die Ergebnisse der anderen Experimente abzuwarten.

Der Graph des Monats: Was ist drin im Universum, und was hat der LHC damit zu tun? (Teil 2)

Im ersten Teil hatte ich erzählt, dass verschiedene Beobachtungen stark nahelegen, dass der Inhalt des Universums – was die Energiemenge angeht – etwa zu 70% aus Dunkler Energie und zu etwa 30% aus Materie besteht. Diese 30% Teilen sich in etwa 5% herkömmliche Materie (Atome, Atomkerne+Elektronen) und gut 25% Dunkle Materie auf. Dazu kommen kleinere Mengen Strahlung und der Beitrag der Neutrinos.

Quelle: ESA

Dunkle Energie

Leichtes Teilchen, große Sensation – wurde letztes Jahr schon eine „fünfte Grundkraft“ entdeckt?

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Update: Inzwischen wurden größere Zweifel an dieser Messung geäußert. Mehr dazu hier.

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Es müssen nicht immer die ganz großen Kanonen sein  Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN dominiert die öffentliche Wahrnehmung der physikalischen Grundlagenforschung – eine knapp 30 Kilometer lange, beeindruckende unterirdische Maschine, die Teilchen mit bisher im Labor unerreichten Energien aufeinander schießt – das macht einfach was her.

Durch diese hohle Gasse müssen sie kommen, die Protonen – ein kleiner Abschnitt des 27km langen LHC-Beschleunigers (Quelle: CERN)