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Lexikon der Astronomie: Supersymmetrie

Supersymmetrie ist ein theoretisches Konzept, das von Akulov & Volkov (1972) und Wess & Zumino (1974) gefunden wurde. Die Supersymmetrie (SUSY) bringt noch mehr Ordnung und Vereinheitlichung in den Teilchenzoo. Die Elementarteilchenphysiker versuchen mit Symmetrien, denen Quantenzahlen zugeordnet sind, eine Klassifikation der Teilchen durchzuführen.

Bosonen, Fermionen und ihre Spiegelbilder

Supersymmetrie scheint der letzte Schritt in dem Vereinheitlichungsbestreben zu sein und versucht die große Klasse der Fermionen (Teilchen mit halbzahligem Spin) mit der der Bosonen (Teilchen mit ganzzahligem Spin) zu vereinen. Fermionen sind die 'Materieteilchen', wie Quarks und Leptonen (Elektron und Neutrino, von denen es drei Untergattungen gibt), aus denen die Materie besteht. Sie unterliegen dem Pauli-Prinzip, d.h. höchstens zwei Fermionen mit antiparallelem Spin können sich im gleichen Zustand aufhalten. Die Bosonen sind die 'Wechselwirkungs- oder Austauschteilchen'. Teilchen mit ganzzahligem Spin vermitteln die Kräfte zwischen den 'Materieteilchen', indem sie ausgetauscht werden. Dies lässt sich in Feynman-Diagrammen veranschaulichen. Die Photonen vermitteln auf diese Weise die elektromagnetische Wechselwirkung, die elektrisch geladenen W- und das neutrale Z-Teilchen (die 'Weakonen') vermitteln die schwache Wechselwirkung, die Gluonen vermitteln die starke Wechselwirkung und die noch hypothetischen Gravitonen die Gravitationskraft.
Die Teilung der Welt in Fermionen und Bosonen kann man als künstlich oder als gebrochene Symmetrie auffassen. Die Supersymmetrie stellt gerade eine Einheitlichkeit, eine Symmetrie, zwischen den Teilchengruppen her. Supersymmetrie bedeutet auch eine Vereinheitlichung von Kräften und Materie. Die Superpartner der bisher bekannten Teilchen erweitern den Teilchenzoo beträchtlich.

Die Spiegelwelt der Supersymmetrie

witzige neue Namen

In der Terminologie der Supersymmetrie stellt man den Superpartnern der Materieteilchen ein 's' als Präfix vorweg. Die supersymmetrischen Partner der Austauschteilchen erhalten ein 'ino' als Suffix angehängt (siehe Illustration oben). Auf diese Weise erhält man nun neue SUSY-Teilchen, die man neben anderen als Selektronen, Squarks, Neutralinos, Gluinos und Higgsinos bezeichnet. Kleine Übung: Kann es somit Neutrinoinos in der SUSY geben?

gebrochene SUSY erzeugt verschiedene Superpartnermassen

Die Teilchen eines zusammengehörigen Superpartnerpaares haben die gleiche Masse (Entartung). Diese Massenentartung wird durch Brechung der Supersymmetrie aufgehoben. Dies ist analog zur Isospinsymmetrie zwischen Neutron und Proton (beide mit Isospin 1/2): die elektromagnetische Wechselwirkung bricht hierbei die Isospinsymmetrie und führt zu einer leichten Massendifferenz der Nukleonen sowie zur positiven, elektrischen Ladung des Protons und der Ladungsneutralität des Neutrons.

Ja wo laufen'se denn?

Die Problematik ist, dass die Physiker sich durch die Supersymmetrie eine Vielzahl neuer Teilchen eingehandelt haben, die sie früher oder später auch nachweisen müssen. Starke experimentelle Evidenz gibt es bisher für keines der Teilchen! Damit ist die Supersymmetrie noch nicht experimentell bestätigt worden. Es gibt allerdings (und nun werden wir sprachlich sehr spitzfindig) ein gewichtiges, experimentelles Indiz, das auf die Supersymmetrie hindeutet: Die Kopplungskonstanten der elektromagnetischen, schwachen und starken Kraft können in Experimenten mit Teilchenbeschleunigern gemessen und in ihrer Energieabhängigkeit dargestellt werden. Es zeigt sich, dass sich die Kopplungskonstanten zu hohen Energien hin einander annähern. Anschaulich gesprochen werden sich die drei verschiedenen Kräfte immer ähnlicher. Nun kann man mit einem theoretischen Modell die Kopplungskonstanten weiter extrapolieren. Ohne Supersymmetrie, im Rahmen des Standardmodells, stellt sich heraus, dass sich die Kurven der einzelnen Kopplungskonstanten fast in einem Punkt schneiden. Nimmt man nun die Supersymmetrie hinzu, so schneiden sich die laufenden Kopplungskonstanten genau in einem Punkt. Dies geschieht bei einer Energie von etwa 1016 GeV.

Alles wird GUT

Die drei Kräfte sind dann vereinheitlicht und werden als X-Kraft bezeichnet. Ab dieser kritischen Schwellenenergie gelangt man in die Domäne der GUT, der Großen Vereinheitlichten Theorien (engl. Grand Unified Theories). Damit geht die Supersymmetrie über das etablierte Standardmodell der Elementarteilchen hinaus ('Neue Physik', Physics beyond the standard model) und versucht den Unifikationsbestrebungen der Kräfte gerecht zu werden.

Angestrengtes Forschen

Das extrapolierte Verhalten der Kopplungen ist bisher der stärkste Hinweis auf die SUSY. Dennoch fehlt bisher der eindeutige, experimentelle Nachweis einzelner supersymmetrischer Teilchen. Sie sind aber leider zu schwer, als dass sie experimentell bislang nachgewiesen werden konnten. Mit jeder neuen Beschleunigergeneration hoffen die Hochenergiephysiker auf die Entdeckung des leichtesten SUSY-Teilchens (engl. lightest supersymmetric particle, kurz LSP). Die Stringtheorien erfordern als Superstringtheorien ebenfalls die Supersymmetrie. Bilanzierend lässt sich sagen, dass die meisten Teilchenphysiker von der Gültigkeit der Supersymmetrie ausgehen. Sie arbeiten deshalb fieberhaft daran, einen Beweis dieses Konzepts zu erbringen.

kosmologische Bedeutung von SUSY

In der Astrophysik, speziell in der Kosmologie, gibt es auch ein großes Interesse an supersymmetrischen Teilchen. Denn – sollten sie im Universum existieren – stellen sie u.U. eine Form von Dunkler Materie dar. Diese Konzepte laufen unter dem Begriff Dark SUSY. Dunkle SUSY-Materie hätte einen additiven, vielleicht sogar gewichtigen Einfluss auf die Entwicklung des Kosmos.

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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