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„Quirks“: Existieren Teilchen, die an unsichtbaren Fäden schwingen?
Teilchen an unsichtbaren Fäden: Sogenannte Quirks könnten paarweise durch einen Teilchenbeschleuniger fliegen und dabei ungewöhnlich schwingen. Die erste gezielte Suche nach ihnen am Large Hadron Collider hat keinen einzigen Kandidaten geliefert. Trotzdem schränkt das Ergebnis bestimmte Varianten dieser hypothetischen Teilchen ein und zeigt, wie sich nach besonders schwer nachweisbarer neuer Physik suchen lässt.
Genf (Schweiz). Warum das Higgs-Boson vergleichsweise leicht ist, obwohl Quanteneffekte seine Masse stark erhöhen könnten, gehört zu den offenen Fragen der Teilchenphysik. Manche theoretischen Erweiterungen des Standardmodells sagen deshalb weitere Elementarteilchen voraus. Bislang ist jedoch kein solcher Kandidat als Erklärung bestätigt.
Zu diesen hypothetischen Teilchen gehören die sogenannten Quirks. Sie könnten über eine bisher unbekannte Kraft, die Infracolor-Kraft, fest an ihre jeweiligen Antiteilchen gebunden sein. Die Paare würden sich dann gemeinsam fortbewegen und zugleich umeinander schwingen. Gerade diese ungewöhnlichen Bewegungen machen die Suche schwierig, weil viele Nachweisverfahren auf die Bahnen einzelner geladener Teilchen ausgelegt sind.
Die internationale Kollaboration des ForwArd Search ExpeRiment (FASER) hat nun die erste gezielte Quirk-Suche am Large Hadron Collider (LHC) durchgeführt. Der Detektor an der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) steht etwa 480 Meter hinter dem Kollisionspunkt des ATLAS-Experiments. Mehr als 100 Meter Fels schirmen ihn gegen einen großen Teil der gewöhnlichen Teilchen ab.
Dazu hat das Team Daten aus den Jahren 2022 bis 2024 ausgewertet, die bei Protonenkollisionen mit einer Energie von 13,6 Billionen Elektronenvolt entstanden. Die Datenmenge entsprach 186 inversen Femtobarn, einer Messgröße für den Umfang der analysierten Kollisionen. Im Mittelpunkt standen die Ankunftszeiten und die elektrischen Signale in acht Szintillatorlagen, die durchfliegende Teilchen registrieren.
Weil Quirks schwer sein und sich als Paar gegenseitig ablenken könnten, sollten sie zum Teil später eintreffen als gewöhnliche, nahezu lichtschnelle Myonen. Zugleich würde ein Quirkpaar ungefähr doppelt so viel Ladungssignal hinterlassen wie ein einzelnes Myon. Mit dieser Kombination ließe sich nach ihnen suchen, ohne ihre komplizierten Flugbahnen im Einzelnen rekonstruieren zu müssen.
Doch der nahezu untergrundfreie Suchbereich blieb leer: Kein einziges Ereignis erfüllte sämtliche Kriterien für ein Quirkpaar. Der Nullbefund liefert deshalb keinen Nachweis der neuen Teilchen. Er erlaubt es aber, bestimmte Kombinationen ihrer möglichen Masse und der Eigenschaften der Infracolor-Kraft erstmals am LHC auszuschließen.
Diese Grenzen gelten für eine genau festgelegte Modellvariante. Die gesuchten Quirks besitzen darin eine elektrische Ladung vom Betrag einer Elementarladung, tragen jedoch keine Farbladung der starken Kernkraft. Bei einer sogenannten Einschlussskala der Infracolor-Kraft von zehn Kiloelektronenvolt schließt die Analyse Quirkmassen bis 179 Gigaelektronenvolt mit einem Konfidenzniveau von 95 Prozent aus.
Auch bei Einschlussskalen zwischen 300 Elektronenvolt und 100 Kiloelektronenvolt werden zuvor nicht erreichte Bereiche ausgeschlossen. Das widerlegt allerdings nicht die gesamte Quirk-Hypothese. Andere Teilchenvarianten und Parameterbereiche liegen außerhalb dessen, was diese Messung zuverlässig überprüfen konnte.
Der Ansatz schließt eine Lücke in der experimentellen Suche. Während übliche Verfahren oft möglichst genaue Teilchenspuren benötigen, nutzt FASER die verspätete Ankunft und das auffällige Signal eines möglichen Teilchenpaares. Damit lässt sich eine ungewöhnliche Signatur untersuchen, die bei einer herkömmlichen Rekonstruktion schwer zu erfassen wäre.