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Teilchenphysik: Jenseits des Higgs-Teilchens

In diesen Tagen wird der Welt größter Teilchenbeschleuniger, der Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf, wieder anlaufen. Bis zum Ende des Jahres sollen Versuche darüber entscheiden, ob das viel beschworene Higgs-Teilchen existiert oder nicht. Doch es gibt auch noch andere Fragen, die der LHC beantworten soll. Supersymmetrie, Dunkle Materie, Zusatzdimensionen und Schwarze Löcher stehen auf dem Programm.
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Im Dezember letzten Jahres verkündete das CERN erste Hinweise auf eine mögliche Entdeckung des Higgs-Teilchens mit einer Masse um 125 Gigaelektronvolt (125 GeV). Damit wäre es etwa 130-mal massereicher als ein Wasserstoffkern. Sollten sich die vagen Anzeichen zu einer veritablen Entdeckung verdichten, so wäre dies einer der größten Erfolge der modernen Physik. Doch der LHC wurde nicht nur wegen des Higgs-Teilchens gebaut. Es gibt weitere brennende Fragen, die über das derzeit bestehende Standardmodell der Elementarteilchen hinausweisen. An erster Stelle steht hier eine fundamentale Erweiterung: die Supersymmetrie.

Die theoretischen Physiker führen eine Reihe von Gründen an, weswegen das heutige Standardmodell der Teilchen und der zwischen ihnen wirkenden Kräfte nicht "der wahre Jakob" sein kann, wie Einstein es einmal von der Quantenphysik behauptete: Zum einen gibt es eine nicht erklärbare Übereinstimmung in der elektrischen Elementarladung. Elektronen sind die Träger der negativen Elementarladung. Quarks besitzen exakt ein oder zwei Drittel der Elementarladung. So ist es möglich, dass drei Quarks ein Proton mit genau einer positiven Elementarladung bilden. Nur die identische Größe der elektrischen Ladung von Elektronen und Protonen, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen, ermöglicht die Existenz stabiler, elektrisch neutraler Atome.

Lücken im Standardmodell der Elementarteilchen

Elektronen gehören zu der Familie der so genannte Leptonen und unterliegen nur drei Grundkräften, nämlich der schwachen und elektromagnetischen Kraft sowie der Gravitation. Quarks hingegen zählen nicht zu den Leptonen und unterliegen allen vier Grundkräften der Natur, auch der starken Wechselwirkung. Im Dreierpack bilden sie das Proton, das zur Familie der Fermionen zählt. Es muss einen noch unbekannten Zusammenhang beziehungsweise eine übergeordnete "Instanz" geben, die für diese rätselhafte Übereinstimmung zwischen den Familien gesorgt hat.

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Detektor ATLAS | Der Detektor ATLAS soll über Zerfallsereignisse ein Higgs-Boson nachweisen.

Das andere Argument hängt mit dem Higgs-Teilchen zusammen. Dieses ist die "Inkarnation" eines Energiefelds, welches das gesamte Universum durchzieht und dafür verantwortlich ist, dass Teilchen eine Masse besitzen. Theoretische Berechnungen im Rahmen des Standardmodells ergeben jedoch für die Energie des Higgs-Feld einen um 34 Größenordnungen zu hohen Wert. In einer solchen Welt wären Elektronen so schwer wie Bakterien!

Ursache für diesen exorbitant hohen Wert des Higgs-Feldes sind so genannte virtuelle Elementarteilchen. Sie tauchen beständig im Raum auf und verschwinden wieder. Dieser See an virtuellen Teilchen trägt zum Higgs-Feld bei und müsste ihm den unrealistisch hohen Wert verleihen.

Ausweg Supersymmetrie und Dunkle Materie

Als Ausweg aus diesem Dilemma haben Theoretiker eine über das Standardmodell hinausgehende, neue Physik entwickelt: die Supersymmetrie, kurz Susy. Diese besagt, dass es zu jedem Elementarteilchen ein Pendant gibt, ein Spiegelteilchen. Auch die Susy-Teilchen tauchen in dem See virtueller Elementarteilchen auf, doch ihre Quantenfluktuationen heben sich gerade mit denen der regulären Elementarteilchen auf. Dadurch erhält das Higgs-Feld einen kleinen Energiewert und das zugehörige Higgs-Teilchen eine relativ geringe Masse.

Die Susy-Teilchen würden die Zahl der bekannten Teilchen auf einen Schlag verdoppeln. Doch sie existierten nur in den ersten Bruchteilen einer Sekunde nach dem Urknall. Sie sind nämlich instabil und zerfallen rasch – bis auf eins: das leichteste Susy-Teilchen Neutralino. Seit dem Urknall sind also alle Superpartikel bis auf die Neutralinos zerfallen.

Die Namen der Susy-Materieteilchen ergeben sich durch Voranstellen eines S an den Namen des uns bekannten Teilchens. So gehört zum Elektron das Selektron, zu den Quarks die Squarks und zu den Neutrinos die Sneutrinos. Die Wechselwirkungsteilchen, welche die Kräfte zwischen den Materieteilchen vermitteln, erhalten ein "ino" ans Ende: zum Photon (Lichtteilchen) gehört das Photino zum Gluon das Gluino und so weiter.
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Spuren des Higgs-Bosons | Laut Computersimulationen könnte sich ein Higgs-Teilchen mit diesen Spuren im Detektor bemerkbar machen.

Bislang ist die schon in den 1970er Jahren vor allem von Julius Wess und Bruno Zumino in Karlsruhe entwickelte Supersymmetrie jedoch reine Theorie. Kein einziges der prognostizierten Teilchen ließ sich nachweisen. Physiker hoffen nun, mit dem LHC in den Feuerbällen der Protonkollisionen Susy-Teilchen insbesondere das Neutralino zu finden. Dessen Masse erwarten die Forscher unterhalb von 1000 GeV, womit es durchaus im Leistungsbereich des LHC liegen würde.

Aber Neutralinos gehen mit normaler Materie so gut wie keine Wechselwirkung ein. Sprich: Sie rasen völlig unbeeindruckt durch die riesigen Messgeräte hindurch. Der Nachweis muss deswegen auf indirekte Weise erfolgen: Die Bruchstücke einer Protonenkollision müssen zusammengenommen genau so viel Energie besitzen wie die beiden ursprünglichen Protonen. Es geht keine Energie verloren. Sollte man dennoch einmal einen solchen Fall beobachten, so wäre dies ein mögliches Indiz dafür, dass ein unsichtbares Neutralino die fehlende Energie fortgetragen hat.

Diese für die Experimentatoren so unangenehme Eigenschaft des postulierten Neutralinos macht es hingegen für Astrophysiker interessant. Es besitzt nämlich genau jene Eigenschaften, die sie den mutmaßlichen Teilchen der Dunkle Materie zuschreiben. Nach heutiger Kenntnis macht sie 23 Prozent der insgesamt im Universum vorhandenen Materie aus (73 Prozent Dunkle Energie und rund 4 Prozent "gewöhnliche" Materie). Sie ist unsichtbar und lässt sich bislang ausschließlich über ihre Schwerkraftwirkung nachweisen. Neutralinos könnten die Lösung dieses Jahrzehnte alten Rätsels sein.

Die Supersymmetrie könnte noch weitere Fragen beantworten. So erklärt sie die Kraftwirkung zwischen Quarks, und sie bildet die Grundlage für einige Versionen der Stringtheorie, mit der man das Ziel verfolgt, Quantenphysik und Gravitation zu einer übergeordneten Theorie zu vereinen.

Viele Physiker schätzen die Supersymmetrie, weil sie auf einen Schlag viele Fragen beantworten würde. Doch der bislang ausbleibende Nachweis auch nur eines einzigen Vertreters dieser Spiegelwelt macht Forscher zunehmend skeptisch. Startheoretiker John Ellis vom CERN bekannte im letzten Jahr in der Fachzeitschrift "Nature": "Ich arbeite nun seit fast 30 Jahren an der Theorie – und ich kann mir vorstellen, dass einige Leute langsam ein wenig nervös werden." Er wolle noch bis Ende 2012 abwarten, ergänzte er, bevor er Susy aufgibt. "Viele Dinge werden sich ändern, wenn wir Susy nicht bestätigen können", ergänzt Teilchenphysiker Chris Lester von der University of Cambridge in derselben Ausgabe von "Nature". Theoretische Physiker müssten dann wieder zu ihrem Reißbrett zurückkehren und einen alternativen Weg finden, um die Mängel des Standardmodells zu beheben.

Eintauchen in zusätzliche Raumdimensionen und mikroskopische Schwarze Löcher

Vereinheitlichungstheorien wie die der Strings funktionieren nicht mehr in drei Raumdimensionen, sie benötigen neun. Diese Extradimensionen könnten auf kleinsten Skalen "aufgerollt" sein, so dass wir sie nicht wahrnehmen. An jedem Punkt unserer Welt gäbe es eine oder mehrere zusätzliche "Richtungen." Direkt beobachten lassen sich Extraräume nicht, weil wir keinen Zugang zu ihnen haben: Wir leben und experimentieren in drei Dimensionen. Aber Zusatzdimensionen könnten physikalische Gesetze beeinflussen und somit indirekt nachweisbar sein. So sagt eine Theorie voraus, dass das bekannte newtonsche Gesetz, wonach die Schwerkraft quadratisch mit der Entfernung von einem Körper abnimmt, auf sehr kleinen Skalen nicht mehr stimmt. Sie würde auf der Größenskala der Extradimensionen zum Körper hin viel stärker ansteigen, als man es nach Newton erwarten würde. Der Grund hierfür ist, dass die Schwerkraft sich als einzige der bekannten vier Grundkräfte auch in diese Zusatzdimensionen ausdehnt.

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Das CMS-Experiment am CERN | Das CMS-Experiment ist ein Teilchendetektor des Large Hadron Collider am CERN. In seinem Herzen stoßen Protonen mit einigen Teraelektronvolt Kollisionsenergie zusammen. Dabei entstehen neue Teilchen, die in alle Richtungen davonfliegen und vom CMS-Detektor nachgewiesen werden.

Mechanische Experimente konnten das newtonsche Kraftgesetz bis auf Distanzen von 0,04 Millimeter bestätigen. Die versteckten Zusatzdimensionen müssen also – so sie denn existieren – auf kleineren Skalen aufgerollt sein. Für den LHC hätte das unter Umständen extreme Folgen. So könnten bei den Protonenkollisionen Gravitationswellen und mikroskopisch kleine Schwarze Löcher entstehen. Diese wären aber instabil und würden nach etwa 10-26 Sekunden wieder zerfallen. Sie könnten also niemals durch Verschlucken weiterer Materie zu beunruhigender Größe heranwachsen. Aber die Bruchstücke, in die die Schwarzen Löcher zerfallen, sind nachweisbar.

Am CERN wird man alles daransetzen, Hinweise auf "Neue Physik" zu finden. Das ist das Ziel dieses milliardenschweren Projekts. Wie das CERN mitteilte, wird es deswegen die Energie der Protonen im LHC in diesem Jahr um 0,5 TeV auf 4 TeV (4000 GeV) pro Strahl erhöhen. Im November wird der LHC dann für voraussichtlich 20 Monate abgeschaltet, um Ende 2014 mit der angestrebten Maximalenergie von 7 TeV pro Strahl wieder anzulaufen. Doch die Pläne reichen noch weiter. Nach 2020 soll der LHC noch einmal technisch aufgerüstet werden – um vielleicht noch weiter in neue Dimensionen vorzustoßen.

In der ursprünglichen Version wurden die Quarks fälschlich zu den Bosonen gestellt. Dies haben wir nun korrigiert. Die Redaktion.

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