Weltmodell Die Zeit nach dem Higgs-Boson

Sollte sich herausstellen, dass das jetzt am europäischen Forschungszentrum Cern bei Genf nachgewiesene Teilchen tatsächlich jener Puzzlestein ist, nach dem die Teilchenjäger seit fast vierzig Jahren mit ihren Beschleunigeranlagen fieberhaft suchen, wäre das zweifelsohne ein großer Triumph - und nichts geringeres als die Krönung des sogenannten Standardmodells der Elementarteilchenphysik. Das Theoriegebäude, das den Aufbau der Materie beschreibt und die zwischen den Materieteilchen wirkenden Kräfte, wäre damit vollständig. Man hätte nämlich nicht nur alle elementaren Bausteine zusammen, sondern alle Kraftteilchen - Bosonen genannt -, die das Standardmodell verlangt, einschließlich des Higgs-Bosons. Obendrein bestünde endlich Gewissheit darüber, wie die zwölf Elementarteilchen und die schweren Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung ihre Masse herbekommen - nämlich durch die Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld, das kurz nach dem Urknall, als sich das Universum abgekühlt hat, entstanden ist.

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Doch es gibt Fragen, auf die das Standardmodell keine Antwort gibt und wahrscheinlich auch niemals antworten wird: Was ist die Natur der Dunklen Materie, die den Löwenanteil an Materie im Universum bildet? Auch die Frage, warum es Materie, aber keine Antimaterie gibt, obwohl beides - nach dem heutigen Verständnis - zu gleichen Teilen nach dem Urknall entstanden sein muss, kann das Standardmodell nur ansatzweise beantworten. Und schließlich lässt das Modell selbst, obwohl es zu den am besten überprüften Theorien der Physik zählt, viele Fragen über seine Struktur offen.

Zwölf Massenteichen sollt ihr sein

Das „Weltmodell“ der Teilchenphysik beschreibt zwölf Materieteilchen. Die sechs Leptonen und die sechs Quarks bezeichnet man aufgrund ihres halbzahligen Spins auch als Fermionen. Aber nur aus den vier leichtesten setzt sich die makroskopische Welt tatsächlich zusammen. Das Elektron, das Up- sowie das Down-Quark bilden die elementaren Bausteine der Atome. Das Elektron-Neutrino entsteht bei Kernreaktionen in großer Zahl. Mit Ausnahme der Gravitation, die wegen ihrer geringen Stärke in der Teilchenphysik keine Rolle spielt, fügen sich die elektromagnetische, die starke und die schwache Kraft in das theoretische Modell ein.

und drei Naturkräfte

Nach der heutigen Vorstellung werden die Kräfte zwischen den Quarks und Leptonen von Bosonen übertragen. Wie das Photon das Austauschteilchen der elektromagnetischen Kraft ist, so übermitteln das neutrale Z- und die beiden elektrisch geladenen W-Bosonen die schwache Kraft. Während das Z-Teilchen bei der Streuung von Neutrinos an Elektronen von Bedeutung ist, sind die W-Bosonen für den radioaktiven Beta-Zerfall verantwortlich.

Lücken im System

Nun hat das Standardmodell eine gravierende Schwachstelle: Es erlaubt nur masselose Elementarteilchen und Bosonen. Doch diese Lücke ist mit dem Nachweis des Higgs-Bosons, dem Austauschteilchen des Higgs-Feldes, gefüllt - vorausgesetzt, man hat es nun experimentell bei den Kollisionsexperimenten mit dem Large Hadron Collider (LHC) am Cern tatsächlich aufgespürt.

Aber die wirklich großen Fragen sind noch immer offen. Warum existieren genau zwölf Materie-Bausteine, obwohl sich die Natur, die uns umgibt, auf nur vier beschränkt? Warum lassen sich die sechs Quarks und sechs Leptonen ihrer Masse entsprechend in drei Familien einordnen? Ebensowenig ist die Teilchenphysik in der Lage, die enorme Spannbreite der Teilchenmassen zu erklären, von den fast masselosen Neutrinos über die leichten Elektronen bis hin zum Top-Quark, das fast soviel Masse trägt wie ein Goldkern. Unklar ist außerdem, warum die Naturkräfte so unterschiedlich stark sind und warum sich die Gravitationkraft nicht mit Hilfe der Quantentheorie beschreiben lässt.

Rätselhafte Befunde

Dass das gängige Theoriegebäude der Teilchenphysik nicht der Wahrheit letzter Schluss ist, mutmaßt man schon seit langem. Tatsächlich waren Forscher bei zahlreichen Präzisionsexperimenten auf Abweichungen zwischen den experimentellen und theoretischen Werten gestoßen, die mit den Gesetzmäßigkeiten des Standardmodells nicht erklärt werden können. So hat man jüngst am Forschungszentrum Slac in Stanford eine Ungereimtheit beim Zerfall sogenannter B-Mesonen beobachtet. Die aus schweren Bottom-Quarks bestehenden Teilchen waren weit häufiger in D-Mesonen und in Anti-Neutrinos und ein Tau-Lepton zerfallen, als es theoretisch möglich sein sollte. Die Signifikanz der Messwerte sei nach Aussagen der Slac-Forscher mit 3,4 Sigma zu hoch, um bei den Signalen von statistischen Fluktuationen sprechen zu können.

Wirrwarr im Teilchenzoo

Viele derartiger Beobachtungen lassen sich immerhin ansatzweise erklären, wenn man supersymmetrische Effekte in Betracht zieht. Das vor rund vierzig Jahren entwickelte Theoriegerüst der Supersymmetrie, kurz Susy, basiert auf dem Standardmodell, erweitert allerdings das in der Teilchenphysik so erfolgreich angewandte Symmetrieprinzip um einen entscheidenden Aspekt: Es stellt eine Verbindung zwischen den bekannten Partikeln und den zwischen ihnen wirkenden Kräften her. Damit das gelingt, wird gefordert, dass für jedes Elementarteilchen ein supersymmetrischer Partner existiert. Diese Pendants sind allerdings extrem massereich, so dass sie nur bei so hohen Kollisionsenergien erzeugt werden können, wie sie der LHC am Cern liefern kann. So wird dem Elektron beispielsweise das Selektron, den Quarks die Squarks und dem Neutrino das Sneutrino zugeordnet. Auch die Bosonen erhalten jeweils ein supersymmetrisches Pendant: So heißt der schwere Partner des Photons Photino. Auch das Higgs-Boson, wie es das Standardmodell voraussagt, würde supersymmetrische Partner bekommen - insgesamt vier an der Zahl.

Unbestechliche Vorteile von Susy

Trotz des Wirrwarrs an zusätzlichen Partikeln hat die Supersymmetrie entscheidende Vorteile: Abgesehen von der Gravitation, lässt sich die elektromagnetische sowie die schwache und die starke Kraft auf eine gemeinsame Wechselwirkung zurückführen. Im Rahmen des Standardmodells ist es vor vielen Jahren bereits gelungen, die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung als elektroschwache Wechselwirkung zusammenzufassen.

Die Lösung für die Astrophysik

Aber nicht nur den Teilchenforschern, auch den Astrophysikern wären Susy-Teilchen äußerst willkommen. Die leichtesten Vertreter, etwa das Neutralino - eine Mischung aus verschiedenen Superpartnern neutraler Bosonen -, könnten einen großen Teil der bisher unerklärten unsichtbaren Dunklen Materie bilden, die das Universum zum großen Teil ausfüllt. Außerdem könnte die Supersymmetrie das Rätsel der Materie-Antimaterie-Asymmetrie lösen.

Gesucht: Susy-Teilchen

Die Supersymmetrie hat allerdings den großen Nachteil, dass sie ähnlich wie die Stringtheorie ein rein hypothetisches Konstrukt ist. Denn bislang ist kein einziges supersymmetrisches Teilchen den Wissenschaftlern ins Netz gegangen. Möglicherweise wird sich das ändern, wenn man nun die Eigenschaften des vermeintliche Higgs-Bosons untersucht. Bislang ist beispielsweise unklar, welchen Spin das entdeckte Teilchen hat und warum es mit 125 Gigaelektronenvolt eine vergleichsweise geringe Masse besitzt. Große Hoffnungen, dass man endlich Anzeichen von neuer Physik erspäht, setzt man am Cern in das Jahr 2015. Dann werden die Protonen im LHC mit der maximalen Kollisionsenergie von 14 000 GeV zusammenprallen. In diesem Moment sollten sich zumindest die leichtesten Susy-Teilchen endlich blicken lassen.