Eigentlich funktioniert es prächtig, das Standardmodell der Teilchenphysik. Es beschreibt alle bekannten Elementarteilchen und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte mit zum Teil unglaublicher Präzision. Theorie und Experiment decken sich manchmal bis jenseits der zehnten Nachkommastelle. Bemerkenswert also, dass die Wissenschaftler selbst noch nie richtig glücklich damit waren. Von Anfang an galt es als Übergangslösung, eine Zwischenstufe auf dem Weg zu einer noch tieferen Theorie.

Dafür gibt es zwei wesentliche Gründe: Erstens beschreibt es nur drei von vier fundamentalen Kräften in der Physik. Es beinhaltet die elektromagnetische Kraft genauso wie die starke und die schwache Kernkraft, die den Zusammenhalt von Atomkernen und radioaktive Zerfälle erklären. Die Gravitation aber, die uns auf der Erde sowie Sternensysteme und Galaxien zusammenhält, kommt im Standardmodell nicht vor.

Und zweitens finden Astronomen draußen im All gewaltige Mengen an Dunkler Materie. Nach neueren Messungen ist jede Galaxie von einem riesigen "Halo" aus Dunkler Materie umgeben, die selbst weder leuchtet noch sonst wie nachweisbar wäre, ohne deren Gravitationswirkung die Galaxien aber einfach auseinanderfliegen würden. Auch folgt die Verteilung der Galaxien im Universum einem unsichtbaren Netz aus Knotenpunkten, Verbindungen und gigantischen Leerräumen, das ebenfalls aus Dunkler Materie gewebt sein muss.

Woraus besteht die Dunkle Materie?

Diese unsichtbare Materieform macht rund 85 Prozent der gesamten Materie im Universum aus. Im Standardmodell findet sich aber nicht der leiseste Hinweis, woraus sie bestehen könnte. Deshalb suchen Wissenschaftler schon seit vielen Jahren nach neuen, exotischen Teilchen und Kräften, die dieses Rätsel aufklären könnten: nach einer "neuen Physik", wie es die Experten nennen.

Ein "Ring" aus Dunkler Materie
© NASA / ESA / M.J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University)
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Diese Aufnahme des Hubble-Teleskops "zeigt" einen Ring aus Dunkler Materie im Galaxienhaufen Cl 0024+17. Erkennbar wird die Dunkle Materie nur durch das abgelenkte Licht, das von weit entfernten Galaxien im Hintergrund ausgestrahlt wird.

An mangelndem Willen liegt es also nicht, dass das Standardmodell nach wie vor Bestand hat. Doch von den neuen Teilchen fehlt bislang jede Spur. Das kann zwei denkbare Gründe haben: Die gesuchten Teilchen könnten so schwer sein, dass sie noch in keinem Experiment aufgetaucht sind. Das hieße, wir müssten immer leistungsfähigere Teilchenbeschleuniger bauen mit immer höheren Energien, um sie eines Tages doch noch aufzustöbern. Oder aber die Prozesse, mit denen sie erzeugt und nachgewiesen werden könnten, laufen so selten ab, dass sie sich bislang jeder Nachprüfung entziehen. Vielleicht sind sie ja längst in den gigantischen Datenmengen enthalten, die die Beschleuniger anhäufen, gehen jedoch im Hintergrundrauschen unter. Dann benötigte man noch präzisere Messungen mit geringeren Fehlerschranken.

Suche mit großen Teilchenbeschleunigern

Große Hoffnungen liegen derzeit auf dem Genfer LHC. Seit einem Jahr läuft er nach einigen Umbauten und Erweiterungen nun knapp unter seiner maximalen Energie. "Wir suchen mit dem LHC sowohl auf direkte als auch auf indirekte Weise nach neuer Physik", sagt Isabell-Alissandra Melzer-Pellmann vom Deutschen Elektronen-Synchrotron in Hamburg.

Die direkte Suche besteht darin, die Protonen mit beinahe Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen zu lassen und hoffentlich genügend Energie in den Kollisionen zu konzentrieren, um bislang unbekannte Teilchen zu erzeugen. Diese sollten in den haushohen Detektoren Spuren hinterlassen, die sich von den bereits bekannten Elementarteilchen unterscheiden.

Bei der indirekten Suche hingegen analysieren die Wissenschaftler ganz exakt die bereits bekannten Elementarteilchen, ob sie sich auch wirklich so verhalten wie vom Standardmodell vorhergesagt. Gibt es nicht vielleicht doch irgendwo eine Abweichung zum Standardmodell? Liefert eine andere Theorie womöglich bessere Ergebnisse? Zerfällt ein instabiles Teilchen in andere Produkte, als vom Standardmodell vorhergesagt? Solche Effekte könnten das Werk exotischer Teilchen sein, die im Hintergrund in bislang unbekannten Prozessen eine Rolle spielen.

Insbesondere das vor wenigen Jahren nachgewiesene Higgs-Teilchen haben die CERN-Forscher im Visier. Es verleiht allen anderen Elementarteilchen ihre Ruhemasse und war das letzte ausstehende Steinchen im Baukasten des Standardmodells. Jetzt setzen die Teilchenphysiker alles daran, herauszufinden, ob es auch wirklich genau das Higgs-Teilchen ist, welches das Standardmodell fordert. Auch hier die Hoffnung: Wo es Abweichungen gibt, ließe sich für die Theoriebildung neu ansetzen. Leider hatten auch die Forscher am LHC bisher noch keinen Erfolg, weder mit der direkten noch mit der indirekten Suche.

Supersymmetrie: Eine attraktive Theorie für exotische Teilchen

"Bislang hat sich das Standardmodell als überraschend stabil erwiesen", sagt Wolfgang Hollik vom Max-Planck-Institut für Physik in München. Er arbeitet dort als Quantentheoretiker und beschäftigt sich mit verschiedenen möglichen Erweiterungen des Standardmodells. Besonders ein theoretischer Ansatz hat es ihm angetan, der, wie Hollik findet, etliche Vorzüge anderer Theorien auf sich vereint.

Die Rede ist von der Supersymmetrie. Laut der Supersymmetrie besitzt jedes Teilchen normaler Materie ein supersymmetrisches Gegenstück – und zwar eines, das sehr viel schwerer ist als sein gewöhnlicher Partner. Viele supersymmetrische Theorien sagen nun die Existenz von Superpartnern voraus, die elektrisch neutral und massereich wären. Unter bestimmten Bedingungen könnten sie stabil und schwer genug sein, um die Dunkle Materie im Universum zu bilden.

Millenium Simulation
© Volker Springel et al., 2005
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In dieser Simulation sieht man, dass die Dunkle Materie wie ein Spinnennetz im Universum verteilt ist. Bereiche, in denen sich viel Dunkle Materie sammelt, werden heller dargestellt.

Das Gravitino wäre ein solcher Kandidat. Es ist der Superpartner des ebenfalls noch hypothetischen Gravitons, das für die Schwerkraft verantwortlich sein soll. In einem Teilchendetektor wäre es unsichtbar und würde sich nur dadurch bemerkbar machen, dass es heimlich Energie aus einem Prozess wegtransportiert. Es gibt aber auch zahlreiche andere Möglichkeiten, in supersymmetrischen Modellen Teilchen der Dunklen Materie einzuführen. "Ist das leichteste supersymmetrische Teilchen stabil und zerfällt nicht in unsere bekannten Standardmodell-Teilchen, ist es ein guter Kandidat für Dunkle Materie", sagt Melzer-Pellmann.

Auch zahlreiche andere Probleme ließen sich lösen. "So kann das Standardmodell nicht erklären, warum es im Universum so viel Materie und keine Antimaterie gibt", meint Hollik. Die Supersymmetrie könnte es. Oder warum das Higgs genau die Masse hat, die die Forscher am LHC ermittelten. Laut Standardmodell hat sie rein zufällig diesen Wert, die Supersymmetrie hätte eine befriedigendere Antwort parat. Auch hoffen viele Forscher, mit Hilfe der Supersymmetrie eine einheitliche theoretische Beschreibung aller physikalischen Kräfte liefern zu können.

Bislang ist das aber leider noch Zukunftsmusik: Je mehr Daten der LHC liefert, desto mehr supersymmetrische Ansätze lösen sich in Wohlgefallen auf, weil sie schlicht nicht mehr mit den neuen Resultaten vereinbar sind. Gleichzeitig wird es immer schwerer, supersymmetrische Modelle zu finden, die den neuen Grenzwerten noch Rechnung tragen. Das geht so weit, dass inzwischen selbst Vertreter der Supersymmetrie daran zweifeln, ob ihre Theorie überhaupt noch eine Zukunft hat.

Das Standardmodell übersteht indessen Prüfung über Prüfung. Für die kommenden Jahre hoffen die Teilchenphysikerinnen und Teilchenphysiker darum nicht allein auf den LHC, sondern auch auf den geplanten International Linear Collider (ILC), der Elektronen und Positronen aufeinanderschießen soll. Dieser Teilchenbeschleuniger wird voraussichtlich in Japan entstehen. Seine Maximalenergie liegt laut Plan unter der des LHC, dafür ermöglicht der ILC extrem präzise Messungen.

Suche in dunklen Kavernen

Auf der Suche nach einer alternativen – und etwas kostengünstigeren – Möglichkeit zur Jagd auf exotische Partikel sind einige Forscher weit unter die Erde gegangen. Tief im Felsmassiv der Abruzzen befindet sich etwa das italienische Nationallabor Gran Sasso, wo sich groß angelegte Experimente der Suche nach extrem schwach wechselwirkenden Teilchen verschrieben haben. Es könnte ja sein, dass sich einige seltene Prozesse im Trümmerwust der Teilchenkollisionen im LHC kaum nachweisen lassen. Dank der außerordentlich guten Abschirmung gegen kosmische Strahlung und andere störende Einflüsse ließen sich im Gran-Sasso-Labor äußerst seltene und schwache Prozesse nachweisen.

ATLAS
© Claudia Marcelloni De Oliveira, CERN
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Mit den Teilchendetektoren ATLAS und CMS gelang Forschern unter anderem der Nachweis des Higgs-Bosons. Das Bild zeigt die Kalorimeter von ATLAS, welche die Gesamtenergie einzelner Teilchen messen, von unten.

Auch wenn bislang noch nicht klar ist, woraus genau Dunkle Materie bestehen könnte, so kann man doch einige ihrer Eigenschaften aus kosmologischen Überlegungen ableiten. Kandidaten für Dunkle Materie müssen mehrere Bedingungen erfüllen: Erstens müssen sie "kalt" sein – das heißt, sie dürfen keine zu hohen Geschwindigkeiten besitzen, sonst wären sie vielleicht schon aus den Galaxien herausgeflogen, anstatt sie zusammenzuhalten. "Außerdem müssen sie über kosmische Zeiträume stabil sein, sonst wären sie inzwischen schon zerfallen", sagt Walter Fulgione vom Gran-Sasso-Labor. Und natürlich müssen sie in hinreichend großer Zahl vorliegen, schließlich ist Dunkle Materie in Summe deutlich schwerer als gewöhnliche.

Mögliche Kandidaten für Dunkle Materie sind die so genannten WIMPs – die Weakly Interacting Massive Particles oder zu Deutsch "schwach wechselwirkende massive Teilchen". Sie sind vermutlich etwa so schwer wie das Higgs-Teilchen oder vielleicht noch deutlich schwerer und treten mit normaler Materie nur extrem selten in Wechselwirkung.

Im Gran-Sasso-Labor sucht unter anderem das XENON-Experiment nach solchen sporadischen Prozessen. Hier arbeiten mehr als 100 Wissenschaftler aus über 20 Instituten weltweit. Dieses Experiment besteht aus einem inneren Behälter mit drei Tonnen flüssigem Xenon, das bei minus 100 Grad Celsius gehalten wird. Dieser Behälter befindet sich in einem äußeren Tank, der zehn Meter Durchmesser hat und mit hochreinem Wasser gefüllt ist. "Auf diese Weise ist der innere Detektor vollständig gegen äußere Strahlung abgeschirmt und nur extrem schwach wechselwirkende Teilchen wie Neutrinos oder WIMPs können den inneren Detektor erreichen, ohne vom äußeren Detektor als Hintergrundstrahlung erkannt zu werden", erklärt Fulgione.

Kollisionen von WIMPs mit dem Xenon im inneren Tank sollten zu Rückstoßeffekten der Xenonatomkerne führen, die tagsüber und nachts auf Grund der Erdrotation leicht unterschiedliche Ergebnisse produzieren würden – schließlich wären WIMPs nicht allzu schnell und dürften sich darum vermutlich wie die Sterne in unserer Milchstraße bewegen. Auch sollte sich zwischen Sommer und Winter ein Unterschied einstellen – je nachdem, ob die Erde auf ihrem Weg um die Sonne gerade mit oder gegen die Rotationsrichtung der galaktischen Scheibe fliegt.

Der neue XENON1T-Detektor ist erst kürzlich fertig gestellt worden und wird in den kommenden Jahren nach den wichtigsten WIMP-Kandidaten Ausschau halten. In ungefähr zwei Jahren hoffen die Forscher, substanzielle neue Ergebnisse zu haben. Entweder gibt es dann einen Kandidaten für Dunkle Materie – oder die Theoretiker erhalten neue Grenzwerte für ihre Modelle.

Exotische Überraschungen

Natürlich können bei der Suche nach exotischen Teilchen auch gehörige Überraschungen auftreten. So konnten ungarische Physiker letztes Jahr bei gewissen Zerfällen leichter Atomkerne eine überraschende Anomalie feststellen, die auf ein erstaunlich leichtes und völlig unbekanntes Teilchen hinzudeuten schien. Wie amerikanische Theoretiker bestätigten, stehen die neuen Messungen auch nicht im Widerspruch zu früheren Messungen. Sollte sich das Ergebnis andernorts reproduzieren lassen, wäre das natürlich eine Sensation. Noch sind die meisten Kollegen skeptisch. In den kommenden zwölf Monaten könnten wir dank neuer Experimente schlauer sein.

Die Liste exotischer Teilchen, die noch auf ihren Nachweis warten, ist überdies nicht eben kurz. So spekulierte der Nobelpreisträger Paul Dirac schon vor Jahrzehnten, es könne magnetische Monopole geben. Die Feldgleichungen der Quantentheorie sollten die Existenz von Teilchen zulassen, die quasi eine magnetische Elementarladung tragen – ganz genauso wie beispielsweise ein Elektron ein elektrische Elementarladung trägt. Trotz intensiver Suche ist bislang aber kein solches Teilchen ins Netz gegangen. Mittlerweile ist es Forschern zwar gelungen, in Quantensystemen aus vielen kalten Atomen künstliche magnetische Monopole herzustellen. Diese imitieren das Magnetfeld eines echten, einzelnen solchen Teilchens aber nur, was immerhin ein Studium seiner Eigenschaften erlaubt. "Echte" magnetische Monopole sind den Vermutungen zufolge jedoch so schwer, dass sie sich mit irdischen Teilchenbeschleunigern nicht werden erzeugen lassen. Nur kurz nach dem Urknall wären solche Teilchen aufgetreten – oder vielleicht auch danach noch in extrem energiereichen kosmischen Prozessen.

Ein anderer Kandidat ist das so genannte "Dunkle Photon". Es wäre quasi das Gegenstück zu den Photonen, unseren normalen Lichtteilchen. Im Gegensatz zu diesen hätte das Dunkle Photon aber eine Masse und würde sich deshalb nicht mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Diese Dunklen Photonen leuchten jedoch nicht und wären nur indirekt nachweisbar – etwa indem sie in Elektronen und Positronen zerfallen. Mehrere Experimente halten nach solchen Prozessen Ausschau, bislang aber ebenfalls noch vergeblich.

Angesichts des jahrzehntelangen ergebnislosen Bemühens bei der Jagd nach exotischen Teilchen ist es beinahe überraschend, wie gut das "Provisorium" Standardmodell funktioniert. Dabei drückte schon im Jahr 1946 der berühmte Quantentheoretiker Wolfgang Pauli in seiner Nobelpreisrede seinen Unmut über die theoretischen Grundlagen des Standardmodells aus und beklagte die mathematischen Tricks dahinter – etwa Unendlichkeiten gegeneinander aufzurechnen. Dass selbst 70 Jahre später noch niemand die Tür ins Dunkle Universum aufstoßen konnte, hätte ihn gewiss erstaunt. So bleibt es dabei: Das Standardmodell trägt seinen Namen immer noch zu Recht.