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Higgs-Boson: Die Teilchenphysik steht am Wendepunkt

Das Higgs-Boson verhält sich wie vom Standardmodell vorhergesagt - und genau das mache eine Ergänzung der Theorie notwendig, meint der Physiker Gordon Kane. Die Antwort könnte in der Stringtheorie liegen.
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Gehen wir einmal davon aus, dass die Detektoren des Large Hadron Colliders in Genf tatsächlich das lang gesuchte Higgs-Boson gefunden haben. Auch wenn die Statistik noch zur Vorsicht gemahnt – alles in allem sieht es sehr danach aus. Zumal beide Detektoren, ATLAS und CMS, ihre stärksten Hinweise in ein und demselben Massenbereich von 125 GeV entdeckt haben und das mit gleich mehreren, doch recht verschiedenen Verfahren.

Ich bin überzeugt, dass diese Entdeckung – immer vorausgesetzt, es handelt sich wirklich um eine – einen signifikanten Wendepunkt auf der Suche nach einer fundamentalen vereinheitlichten Theorie der physikalischen Welt darstellt: Zum einen deuten die Eigenschaften, die das Higgs am LHC offenbarte, darauf hin, dass bald die supersymmetrischen Partner weiterer Partikel auftauchen werden; und zum anderen könnten wir nun endlich kurz davorstehen, die bislang immer höchst abstrakte Stringtheorie mit der realen Welt zu verknüpfen.

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Gordon Kane |

Gordon Kane ist emeritierer Direktor des Michigan Center for Theoretical Physics und forscht an Erweiterungen des klassischen Standardmodells, insbesondere mit Hilfe der Stringtheorie.

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Als Teilchen, das der Materie ihre Masse verleiht, ist das Higgs-Boson der Schlussstein im großartigen Theoriegebäude des Standardmodells. Dieses beschreibt, wie sich unsere Welt aus Teilchen (Quarks und Leptonen) sowie der starken, schwachen und elektromagnetischen Kraft zusammensetzt (lediglich die Schwerkraft hatte ihre eigene Theorie). Es leidet nicht an offenkundigen Schwächen oder Lücken und umfasst auf grundlegende Weise alles von der Physik kondensierter Materie zur Astrophysik. Mit ihm hat die Physik endlich das erreicht, was sie sich seit vier Jahrhunderten zum Ziel gesetzt hat.

"Wir stehen endlich kurz davor, die Stringtheorie mit der realen Welt zu verknüpfen."(Gordon Kane)

Auch die Suche nach dem Higgs-Teilchen dauert schon etwas länger. Dabei konzentrierte man sich zumeist auf seine verräterischste Hinterlassenschaft: Jedesmal, wenn ein Higgs zerfällt, sendet es zwei charakteristische Photonen aus, die von den Detektoren erfasst werden können. Nach diesem Signal suchen die Physiker am LHC ebenso wie zuvor meine Kollegen und ich Mitte der 1980er Jahre am Superconducting Supercollider in Waxahachi in Texas, bis das Projekt im Jahr 1993 eingestellt wurde.

Die Entdeckung des Higgs-Bosons komplettiert aber nicht nur das Standardmodell, sondern bedeutet auch, dass eine künftige, grundlegendere Theorie ein fundamentales Higgs-Boson im Inventar haben muss. Alternative Theorien, denen zufolge das Higgs-Teilchen seinerseits aus kleineren Teilen zusammengesetzt ist, werden durch die Daten des LHC im Wesentlichen ausgeschlossen. Auf diese Weise wird das Standardmodell zwangsläufig ausgeweitet und komplexe Fragestellungen wie Supersymmetrie und die Eigenschaften Dunkler Materie kommen in Reichweite.

Einen gewichtigen und unerwarteten Hinweis, wo die Reise hinführen könnte, liefert ausgerechnet die Beobachtung, dass sich das Higgs-Teilchen in den Daten wie ein "Standardmodell-Higgs" verhält. Das aber sollte im Rahmen des Standardmodells eigentlich überhaupt nicht möglich sein.

Gemäß der relativistischen Quantenfeldtheorie sind für die Higgs-Masse erhebliche Quantenkorrekturen notwendig, die seine Masse selbst um ein Vielfaches übersteigen. Weil nun die Massen grundlegender Teilchen wie Quarks, Leptonen oder W- und Z-Bosonen ihrerseits von der Masse des Higgs-Teilchens abhängen, würde ihnen das Standardmodell Massen zuschreiben, die um Größenordnungen über dem liegen, was Wissenschaftler seit Jahren messen.

Auf Antwortsuche in der Supersymmetrie

Ein gewichtiges Problem, das sich jedoch umgehen lässt: Erweitert man das Standardmodell in Richtung Supersymmetrie, wandeln sich auch die Eigenschaften des vorhergesagten Higgs-Bosons. Sein Verhalten in den Gleichungen ändert sich, und die Theorie deckt sich wieder mit der Erfahrung.

In der Physik hat man lange vermutet, dass sich das Higgs in genau dieser supersymmetrischen Form zeigen würde. Warum aber finden wir nun Hinweise auf dessen eigentlich unmögliche Standardmodellvariante? Die Lösung dieses Rätsels könnte uns einen großen Schritt näher an die zugrundeliegende Theorie führen, die eines Tages das Standardmodell erweitern wird.

Ein Erklärungsansatz etwa kommt aus ganz unerwarteter Richtung: der Stringtheorie oder ihrer Erweiterung, der M-Theorie. Anders als viele glauben, lassen sich doch konkrete Vorhersagen über die Welt aus der Stringtheorie ableiten, sofern man die 10- oder 11-dimensionale Theorie zunächst auf vier Dimensionen "kompaktifiziert" – die übrigen sechs oder sieben werden dabei auf engstem Raum zusammengerollt. In den letzten Jahren hat es beträchtliche Fortschritte bei diesem Unterfangen gegeben; auch die Felder, mit denen sich die zusammengerollten Dimensionen beschreiben lassen, können immer besser stabilisiert werden.

Gemeinsam mit meinen Kollegen habe ich die allgemeinere Stringtheorie und die M-Theorie in einer Form untersucht, die mit den Erkenntnissen der Kosmologie im Einklang steht und den Mechanismus enthält, mit dem Higgs-Teilchen Masse erzeugen. Dabei konnten wir zeigen, dass sich das leichteste Higgs-Boson sehr ähnlich dem Standardmodell-Higgs verhält. Und mehr noch: Es hat eine Masse von rund 125 GeV – exakt so viel, wie am Cern beobachtet.

Die Resultate unserer Berechnungen haben wir vergangenen August auf der internationalen String Phenomenology Conference in Madison, US-Bundesstaat Wisconsin, erstmals der Öffentlichkeit präsentiert. Und nur wenige Wochen vor Verkündung der LHC-Ergebnisse stellten wir eine verfeinerte Form mit nochmals deutlich genaueren Vorhersagen auf dem arXiv-Server online [1].

Laut derselben Stringtheorie – genauer gesagt handelt es sich um die M-Theorie –, die die Higgs-Masse korrekt vorhergesagt hatte, ist zu erwarten, dass demnächst eine ganze Anzahl von supersymmetrischen Partnerteilchen am LHC entdeckt werden. Nach solchen Partikeln, zu denen beispielsweise die Gluinos – die Superpartner der Gluonen, die die starke Kernkraft übertragen – zählen, ist allerdings bislang in den Beschleunigerdaten noch gar nicht gesucht worden. Auch hier gäbe die Stringtheorie Anhaltspunkte, anhand welcher Zerfallsprodukte sich die Teilchen verraten müssten: Im Wesentlichen handelt es sich dabei um Top- und Bottomquarks.

Bereits Mitte nächsten Jahres könnten die Wissenschaftler fündig werden. Zwar werden sie damit gewiss weniger Schlagzeilen machen als die Higgsjäger unter ihren Kollegen. Doch die Auswirkungen auf die Physik könnten sogar noch größer sein. Vielleicht zeigt sich dann, dass die Stringtheorie mit der Zeit erwachsen geworden ist.

Dieser Artikel ist eine leicht gekürzte Übersetzung von: Particle physics is at a turning point. Erschienen in Nature 480, S. 415, 2011

Mehr zum Thema Teilchenphysik finden Sie auf unserer Sonderseite.

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