In einer bahnbrechenden Studie am Large Hadron Collider (LHC) hat die CMS-Kollaboration das Verhalten von Top-Quarks in Bezug auf Einsteins spezielle Relativitätstheorie untersucht. Diese Forschung, die am 23. Januar 2025 veröffentlicht wurde, bestätigt, dass die grundlegenden Prinzipien der Relativität auch unter extremen Bedingungen intakt bleiben.
Im Mittelpunkt dieser Untersuchung steht das Konzept der Lorentzsymmetrie, das besagt, dass experimentelle Ergebnisse nicht von der Orientierung oder der Geschwindigkeit des Experiments beeinflusst werden. Obwohl die spezielle Relativitätstheorie sich über die Zeit bewährt hat, deuten einige theoretische Rahmenbedingungen, insbesondere bestimmte Modelle der Stringtheorie, darauf hin, dass bei sehr hohen Energien die Prinzipien der Relativität zusammenbrechen könnten, was zu beobachtbaren Effekten basierend auf der experimentellen Orientierung führen würde.
Die Forschung der CMS-Kollaboration konzentrierte sich auf Top-Quarks, die schwersten bekannten Elementarteilchen. Durch die Analyse von Paaren dieser Quarks, die bei Proton-Proton-Kollisionen erzeugt werden, wollte das Team eventuelle Variationen in den Produktionsraten identifizieren, die auf eine Verletzung der Lorentzsymmetrie hindeuten könnten. Aufgrund der Erdrotation würden sich die Richtung der Protonenstrahlen und die durchschnittliche Richtung der produzierten Top-Quarks im Laufe des Tages ändern. Eine konstante Produktionsrate würde implizieren, dass die Lorentzsymmetrie gültig ist.
Die Ergebnisse der zweiten Laufzeit des LHC zeigen keine Abweichungen und unterstützen die Gültigkeit von Einsteins Theorie. Diese Forschung hat neue Grenzen für das potenzielle Ausmaß der Parameter festgelegt, die eine Symmetriebrechung anzeigen würden, und die vorherigen Ergebnisse um bis zu den Faktor 100 verbessert.
Diese Ergebnisse ebnen den Weg für zukünftige Untersuchungen der Lorentzsymmetrie anhand von Daten aus dem dritten Lauf des LHC. Darüber hinaus eröffnen sie Möglichkeiten zur Untersuchung anderer schwerer Teilchen, einschließlich des Higgs-Bosons und der W- und Z-Bosonen, die nur am LHC untersucht werden können. Die Auswirkungen dieser Entdeckungen könnten unser Verständnis der fundamentalen Physik und der zugrunde liegenden Prinzipien des Universums erheblich erweitern.