Jetzt ist es soweit! Etwas Neues vom LHC, das wirklich etwas Neues sein könnte. Neu in: Noch nie gesehen. Weltneuheit. Ein Klopfen an der Tür, das sagt: Euer Weltbild ist nicht komplett, und hier könnte ein weiteres Teil sein. Nachdem der LHC erfolgreich gestartet ist, jetzt fleißig Daten sammelt, alte Bekannte wiederentdeckt und langsam langsam das Statistikfass für eine mögliche Higgs-Entdeckung füllt, hat eine Untersuchung von Kollisionen im CMS, die besonders viele Teilchen erzeugt haben, einen Effekt gefunden der eine Erklärung verlangt.

Das Experiment CMS ist einer der großen Detektoren am LHC, der u.a. nach dem Higgs suchen soll aber auch viele andere Sachen finden könnte. In einem gestern vorgestellten Paper (PDF) sind jetzt Ergebnisse vorgestellt worden, die die Korrelationen zwischen erzeugten Teilchen in Proton-Proton-Kollisionen untersucht haben. Bei Kollisionen aus denen besonders viele Tochterteilchen entstehen, fand man eine neuartige Korrelation.

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Wie man im Bild sieht, entsteht in einer solchen Kollision ein furchtbarer Wust aus Teilchen. Die Untersuchung bestimmt die Korrelationen zwischen den Winkeln, in denen die Teilchen fortfliegen.
Was ist eine Korrelation? Nun, wenn die schüchterne Maya an jedem Kindergeburtstag weniger Kuchen abbekommt, an dem der verfressene Vladislav teilnimmt, dann ist das eine Korrelation. Wenn eine Kollision stattfindet und immer auch Teilchen nach oben links wegfliegen wenn welche nach unten rechts wegfliegen, dann ist das eine Korrelation.
Etwas anspruchsvoller ausgedrückt bildet man die Korrelation in solch einem Plot als Höhe über den Winkeln ab:

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Die beiden Winkel geben sozusagen Koordinaten im Detektor an, der ja im Wesentlichen zylinderförmig um den Strahl bzw. den Kollisionspunkt liegt. Der Plot ist so etwas wie eine entrollte Karte dieser Zylinderkoordinaten. (Bevor jetzt wieder einer meckert was das für seltsame Winkel sind, das sind die Pseudorapidität η als Winkel relativ zum Strahl, eine Zahl die von 0 bis unendlich läuft und der Azimutalwinkel Φ im Bogenmaß.)

Links im Bild ist die Welt in Ordnung. Der steile Berg entspricht dem Jet an Teilchen, der einer direkten Kollision von Bestandteilen des Protons entspricht (siehe auch das Blog von Jon Butterworth). Der Bergrücken ist der Ausgleich dazu, denn Energie und Impuls müssen ja erhalten bleiben.
Aber schaut man sich nur Kollisionen mit mehr als 110 Teilchen an, findet man einen neuen, kleinen Rücken (der Pfeil im rechten Bild zeigt drauf).
Es ist kein hoher Rücken, aber es ist ein deutliches Signal, und die Daten wurden im Juni erhoben. Seitdem hat man versucht, einen Fehler zu finden der das Signal erzeugen könnte. Man hat keinen gefunden, und so hat man das jetzt so veröffentlicht und sucht nach einer Erklärung, womöglich neuer Physik.
Vielleicht ist es “nur” ein ungerecht vernachlässigter Term in der Quantenchromodynamik, der Theorie die die Interaktion zwischen den Bestandteilen eines Protons untersucht. Vielleicht ist es aber auch ein neuer Materiezustand. Das wäre dann ein sehr heißer, sehr dichter Zustand aus Gluonen und Quarks. Ein solcher Zustand wäre nur sehr kurzlebig und kann nicht direkt beobachtet werden. Aber die Gluonen und Quarks könnten darin einer gemeinsamen Bewegung oder Schwingung unterworfen werden, die dann letztendlich für die Korrelationen verantwortlich ist. Der kleine Hügel im rechten Bild ist also unser Werkzeug, den kurzlebigen Zustand zu untersuchen. Ein dichter, heißer Materiezustand aus Gluonen und Quarks, das nennt man eigentlich Quark-Gluon-Plasma (QGP). Aber die Art QGP, die wir bereits untersucht und beschrieben haben, dürfte nicht in Proton-Proton-Kollisionen entstehen. Es braucht dazu schwere Kerne. Am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) hat man – er trägt die schweren Kerne ja im Namen – mit Goldkernen so auch Plasmen erzeugt und beobachtet. Am LHC plant man auch später GoldBleikerne einzusetzen, und der ALICE-Detektor ist eigentlich extra dafür zuständig, die QGPen zu untersuchen. Vermutlich waren die vorgestellten Messungen eigentlich auch nur gedacht, um den Untergrund zu messen, den man immer abziehen muss wenn man nach einem bestimmten Effekt sucht. Aber nun hat man eben etwas womöglich Neues gefunden – und jetzt muss man mehr Daten sammeln um bessere Statistik zu bekommen und wenn der Effekt real bleibt, dann müssen die Theoretiker ran und erklären. Ist es eine Korrektur der Theorie, oder ist es ein neuer Materiezustand? Oder ist es doch das Schwarze Loch das uns alle verschlingen wird? (Nein, der LHC ist nicht gefährlich. Das war ein Spaß!)


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Kommentare (20)

  1. #1 Jonas
    09/22/2010

    Das ist ja wunderbar! Seit wann läuft der LHC? 4 Monate? Krass.

  2. #2 VolkerH
    09/22/2010

    wenn der Effekt real bleibt, dann müssen die Theoretiker ran und erklären

    Mal für Nicht-Physiker: Der ‘Rücken’ allein reicht aus, um (eventuell) einen neuen Materiezustand zu belegen? Keine weitere Experimente mit veränderten Parametern? Keine unabhängige Methode, um die Daten zu verifizieren?

  3. #3 ChristianJ
    09/22/2010

    @Volker
    Der “Rücken” ist in dem, was man erwarten würde nicht da. Die Erwartung wurde erstellt, indem man simuliert hat, was nach aktueller Kentniss bei einer Proton-Proton-Kollision passieren würde. Und da bekommt man halt sowas wie den linken Plot.
    Und das reicht schon mal, um zu sagen: “Etwas ist anders als wir dachten”.
    Es ist durchaus möglich, dass bei der Analyse etwas übersehen wurde, aber das wurde sicher gut überprüft.

    Die anderen Experimente (vor allem ATLAS, aber auch ALICE und LHCb) werden jetzt sicher auch schauen, ob sie den gleichen Effekt sehen. Das ist dann schon ein guter Hinweis, wenn dort das gleiche gefunden wird, ober halt nicht. Es bleibt also spannend.

  4. #4 Bullet
    09/23/2010

    Oh, toll, daß ich gleich hier oben einen LHC-Beitrag finde.
    Jörg, bei Florian haben wir gerade die Sache mit der Hand im Protonenstrahl (aua aua), und ein Leser hat mich gefragt, wie das mit der Identität von Photon und Antiphoton ist.
    Ich hab dummerweise nix mehr gefunden, was die Sache erhellen und mich in gutem Lichte dastehen lassen würde. Rettest du mir bitte den Arsch der Glaubwürdigkeit? Ich bashe dann auch gern auf ein paar Esos in deinen Artikeln^^.

  5. #5 VolkerH
    09/23/2010

    @ChristianJ
    OK, danke. Aber ist der einmalige Nachweis dieses Effekt Anreiz genug, dass sich gleich ein Theoretiker auf die Sache stürzt? Ich komme aus der Immunologie, da werden zig Reproduktionen erwartet, bevor man sich dazu herablässt, überhaupt mal kurz darüber nachzudenken. Daher mein Erstaunen.

  6. #6 ChristianJ
    09/23/2010

    @VolkerH
    Was meinst du genau mit Reproduktionen? Wir haben halt “nur” einen LHC, einen neuen bauen geht schlecht 😉

    Allerdings flossen in das CMS-Paper schon recht viele Daten ein (1 pb^-1 wenn ich es gerade richtig im Kopf habe). Das was die sich angeschaut haben ist auch nicht wirklich selten (insbesondere wenn man es mit sowas wie nem Higgs-Boson vergleicht), man hat also schon sehr viele Ereignisse analysiert, bevor man das Paper geschrieben hat. Betrachtenswürdig ist das ganze somit sicher schon.

    Und ich denke die Theorethiker reißen sich gerade um erste Ergebnisse, hat ja lange genug gedauert :)

  7. #7 Serge
    09/23/2010

    Hallo, der LHC ist gut für Theorien zu testen; aber es gibt verschiedenen Theorien für wie die Teilchen sind produziert, und von meiner Theorie, es gibt verschiedenen Dinge zu beobachten.

  8. #8 Jörg
    09/23/2010

    In das CMS-Paper sind mehr als 300000 Ereignisse eingegangen bei drei verschiedenen Energien.

  9. #9 VolkerH
    09/23/2010

    @ChristianJ
    Na ja, ich dachte das LHC ist vollgestopft mit Detektoren, detektieren die etwa alle das gleiche? Oder andere Elemente durchschießen? Und viele Daten mögen es ja sein, aber alle aus der gleichen Versuchsanordnung.
    Aber wie Du merkst, habe ich keine Ahnung von Physik, und das soll ja kein Nachhilfeunterricht werden. Grundsätzlich ist meine Frage beantwortet: Physiker sind leichter zu begeistern als Immunologen. Danke für die Antworten!

  10. #10 ChristianJ
    09/23/2010

    @VolkerH
    Das meinte ich in meiner ersten Antwort mit den anderen Experimenten. Und die werden jetzt sicher auch alle nachschauen, wie es aussieht. Dauert aber ein bisschen, man will ja nichts voreilig behaupten.
    ATLAS, LHCb und ALICE sind die anderen drei, wobei ich nicht genau weiß, in wie weit LHCb dazu geeignet ist, den Effekt zu vermessen.

    Und ja, Physiker sind leicht zu begeistern. (:

  11. #11 Phero
    09/23/2010

    @Volker: Ich denke, das Problem ist folgendes: Wir haben einen Effekt. Toll. Aber ohne eine Hypothese, warum dieser Effekt auftritt, ist es ja nicht gut möglich, ihn unter veränderten Parametern zu testen. Das heißt: Jetzt wird ein wenig herumspekuliert (natürlich auf hohem Niveau) und bei jeder Hypothese schaut man dann: Was hat diese Veränderung der Standardtheorie denn sonst noch für Auswirkungen, die wir testen können?

    Aber natürlich kann es auch sein, dass es sich letztendlich doch als vergleichsweise langweiliger Effekt erweist – vielleicht eine falsche Näherung, wie von Jörg bereits vermutet, oder letztendlich doch ein systematischer Fehler…

  12. #12 Dinyar
    09/23/2010

    Hallo!

    Die plots sind nicht R gegen phi und eta, wenn ich das Paper richtig verstanden hab sondern R gegen deltaPhi und deltaEta, das heißt R(deltaPhi, deltaEta) ist die Korrelationsfunktion, die eben von der Differenz zwischen den Koordinaten von zwei Teilchen abhängt. (Wenn ich das richtig verstanden hab, dann gibt es nicht nur Korrelation, wenn Teilchen in die gleiche Richtung fliegen (also deltaPhi = deltaEta = 0), sondern auch, wenn sie nur das selbe Eta haben (also der Winkel zum Protonenstrahl der gleiche ist), aber Phi willkürlich gewählt ist.) Das ist aber ohne Gewähr, weil ich das Paper noch nicht gnz verstanden hab.

    Noch was: Das Paper wurde im Frühling begonnen und war ursprünglich für die Veröffentlichung bei ICHEP geplant. Die ist dann verschoben worden um nocheinmal genau nach Fehlern zu suchen und Ende August ist es dann für die gesamte CMS-Kollaboration freigegeben worden um es wieder zu überprüfen.. insofern ist man sich bei CMS ziemlich sicher, dass es ein tatsächlicher physikalischer Effekt ist und keine Fehlmessung. Möglich ist es natürlich trotzdem und deshalb ist es gut, dass es ATLAS und ALICE gibt. (LHCb kann den Effekt nicht messen, weil er nicht symmetrisch ist.)

  13. #13 Krakonos
    09/23/2010

    Also ehrlich gesagt, habe ich ein kleines Problem mit der Herangehensweise. So von meiner entfernten Warte hört sich das jetzt so an, als ob man da ganz ohne Hypothese ran geht und Teilchen aufeinander schießt, eine große Menge Daten generiert und dann alles durchforstet, ob man irgendetwas spannendes findet. Ich bin mir sicher, dass es nicht so ist, dass dort also mit so einem teuren Gerät kein “Schrotflintenansatz” gefahren wird. Aber in dem Post kam das irgendwie für mich so rüber.

  14. #14 Dinyar
    09/23/2010

    krakonos:

    naja, es ist schon so, dass in dem gerät teilchen aufeinander geschossen werden und dann nach interessanten sachen gesucht wird.

    nur stimmt es natürlich, dass da nicht wild drauf los gesucht wird, es ist durchaus gezielt gesucht worden nach solch einem effekt. das ist auch notwendig, weils völlig wahnsinnig wäre irgendwas zu suchen mit diesen datenmassen..

    es gab nur keine theorie dazu, das heißt es gibt meines wissens keine, die soetwas vorhersagen würde (der anstoß danach zu suchen kam soviel ich weiß von den RHIC-Daten.. )

  15. #15 Barney
    09/23/2010

    Sind die Protonen bei diesem Versuch eigentlich polarisiert? Sprich: Zeigt der Spin der Protonen bei diesem Versuch in eine definierte Richtung?

  16. #16 siric
    09/23/2010

    Ich versteh noch nicht ganz die Korrelationsfunktion R, was heißt es jetzt genau wenn ein Teilchenpaar den Wert von z.B. R=1 oder R=-2 hat? Gehören bei R=1 ganz sicher die Teilchen “zusammen” und bei R=-2 ganz sicher nicht?
    Hab noch eine Zusammenfassung auf deutsch beim CERN gefunden: http://cms.web.cern.ch/cms/News/2010/QCD-10-002/TwoParticleCorrelationCMSStatementFinal_de.pdf

  17. #17 Jörg
    09/23/2010

    @Dinyar: Du hast natürlich recht, es sind Deltas in den den Winkeln, also Winkelunterschiede. Der neue Hügel scheint bei keinem Unterschied im Azimut aufzutreten. Ob daher die Vermutung kollektiver Bewegung kommt?

    @Krakonos: Natürlich hat man eine Hypothese, die man testet, nämlich dass die Korrelationen bei mehr als 110 Endteilchen so aussieht wie die bei weniger. Das hat man getestet und überraschend festgestellt, dass es nicht so ist. Wie anders soll man vorgehen um Sachen zu finden die neu sind? Es werden jede Menge dieser Analysen durchgeführt, und von den meisten hört man eben nichts, weil nichts Unerwartetes gefunden wird.

    @Barney: Kann ich mir nicht vorstellen, schließen kreisen da Milliarden von Protonen, um die zu polarisieren bräuchte man ja schon ein Magnetfeld dass die Flugrichtung ablenken würde.

    @siric: Die Formel ist mir jetzt zu lang um dran zu erkennen was +1 oder -2 bedeuten könnte…aber normalerweise läge bei 0 keine Korrelation vor. Im wesentlich steckt in der Formel ein Quotient aus dem Signal und einem Hintergrund. Der Hintergrund wird zufällig aus Reihen von zwei verschiedenen Events zusammengesetzt und repräsentiert den unkorrelierten Fall. Wenn das Signal davon abweicht, wird R != 0.
    In den Funktionen für Signal und Hintergrund (die Funktionen der Winkelunterschiede sind) leitet man die Ereigniszahl zweimal ab, nach Delta eta und Delta phi.

  18. #18 Engywuck
    09/23/2010

    +++ Faketicker +++ Faketicker +++
    23.12.2012, Genf
    Wie heute bekannt wurde jagen die theoretischen Physiker seit über zwei Jahren einem Phantom nach, das sich angeblich in den Daten des LHC versteckt hatte. Bei der Weihnachtsfeier der Mathematiker am CERN trank Prof. Dr. Dr. h.c. Lou Cipher, 48, Gastprofessor aus London, etwas zu viel der mit selbstgebranntem Absinth veredelten Feuerzangenbowle. Auf Nachfrage des Leitungsgremiums des CERN, was denn seine gelallten Worte “da hammwerse abbber gansss schööön reingelegt” bedeuten sollten musste er zugeben, dass die angeblichen unerwarteten Korrelationen in den Messergebnissen des Jahres 2010 nur ein Schwindel waren.
    “Wir waren es leid, immer nur zu melden ‘Standardmodell durch CERN bestätigt’ oder ‘LHC findet Teilchen bei denselben Energien wie ältere Beschleuniger’. Sowas ist doch einfach nur langweilig. Außerdem haben die Theoretiker immer behauptet, sie wüssten schon, was wir finden werden”, so Professor Cipher. “Also haben mein Doktorand B. L. Zebub und ich beschlossen, den Theoretikern eine harte Nuss zu knacken zu geben und in gewissen Datensätzen Pseudokorrelationen zu erzeugen bzw. nicht passende Datensätze vom Rechner automatisch aussortieren zu lassen. Zebub wollte zuerst, dass wir das in Daten verstecken, bei denen mehr als 666 Teilchen beteiligt sind, aber ich fand dies etwas zu auffällig, da diese Ereignisse ohnehin zu selten sind. Also haben wir uns schließlich auf 110 geeignet, binär 6, also ein Drittel der eigentlich geplanten Zahl, und dezimal so hoch, dass das nicht zu häufig aber häufig genug ist. Hat dann ja auch geklappt….”
    Wie aus den Europäischen Hauptstädten zu vernehmen ist überlegen die Finanzminister, die dem CERN zur Erforschung des Phänomens gezahlten Gelder von Cipher und Zebub zurückzufordern. Cipher wird die Weihnachtstage wohl in Untersuchungshaft verbringen, Zebub liegt nach einer Prügelei mit theoretischen Physikern, die aufgrund des Schwindels sehr erbost waren, derzeit im Krankenhaus.
    +++ Faketicker +++ Faketicker +++

  19. #19 edlonle
    01/24/2011

    also ich fasse es nicht…..Ich warte seit dem ersten Spatenstich des neuen Cern auf solch eine Meldung, ja sauge quasi alles neue vom Cern auf (Cernkurrier im Abo) und dann lese ich hier Kommentara ala;
    “oh.. was, so langweilig?”..””äh..haben die auch lang genug gemessen?” oder: “ist das alles? die korrelation von zwei blöden Winkeln?” oder: “na, die sind aber leicht zu begeistern”… völlig kopfschüttelnd davonschmeiß

    Gruß
    edlonle
    PS: Bitte mehr davon

  20. #20 edlonle
    01/24/2011

    ich fasse es nicht…
    fehlt nur noch ein Komentar ala:
    “was??? kein MBH?…wie langweilig”

    edlonle