Teilchenphysik Im Niemandsland zwischen Suchen und Finden

Die Natur scheint den Physikern des europäischen Forschungszentrums Cern bei Genf derzeit einen Streich spielen zu wollen. Obwohl der neue Teilchenbeschleuniger, der "Large Hadron Collider" (LHC) und die vier Detektoren weitaus besser laufen als erhofft, und man bereits mehr Daten gewinnen konnte, als man für das ganze Jahr erwartet hatte, ist die Ausbeute an neuen Phänomenen bislang eher dürftig. So konnte man zwar alle bekannten Elementarteilchen in kurzer Zeit nachweisen, das ominöse Higgs-Teilchen aber, das seit vierzig Jahren auf der Fahndungsliste steht, hat sich im 27 Kilometer langen Beschleuniger noch immer nicht blicken lassen (siehe F.A.Z. vom 24. August). Bis Ende dieses Jahres, so die Hoffnung am Cern, will man genug Daten gesammelt haben, um die Frage nach dem Sein oder Nichtsein des Higgs-Teilchen definitiv beantworten zu können.Zerschlagen haben sich nun wohl auch die Hoffnungen, man könnte auf die Schnelle der leichtesten sogenannten supersymmetrischen Teilchen habhaft werden und damit die Theorie der Supersymmetrie ("Susy") bestätigen, die viele der noch ungeklärten Rätsel der Teilchenphysik mit einem Schlag erklären könnte.

Weltmodell mit Lücken

Nachdem man vor einigen Monaten keine Spuren von Susy-Teilchen in den beiden Detektoren CMS und Altas gefunden hatte, haben nun auch Forscher des LHCb-Experiments Fehlanzeige signalisieren müssen. Wie kürzlich auf einer Tagung in Bombay berichtetet wurde, sind alle bisherigen Befunde im Einklang mit dem altbewährten, aber teilweise doch lückenhaften Standardmodell der Elementarteilchenphysik.

Dass das gängige Theoriegebäude der Teilchenphysik nicht der Wahrheit letzter Schluss ist, mutmaßt man schon seit langem. Tatsächlich war man in der Vergangenheit bei Präzisionsexperimenten auf Abweichungen zwischen dem experimentellen und theoretischen Werten gestoßen, die mit den Gesetzmäßigkeiten des Standardmodells nicht erklärt werden können, wohl aber unter Annahme, dass supersymmetrische Teilchen existieren. Doch waren statistische Fluktuationen nicht ganz auszuschließen, so dass man alle Hoffnungen auf den LHC gesetzt hat.

Rettung durch Supersymmetrie

Für viele Physiker wäre der eindeutige Nachweis supersymmetrischer Teilchen oder supersymmetrischer Effekte mit dem LHC - nach der Entdeckung des Higgs-Bosons - der größte Wurf in der Teilchenphysik. Das vor rund vierzig Jahren entwickelte Theoriegerüst von Susy baut zwar auf das Standardmodell auf, es erweitert aber das in der Teilchenphysik so erfolgreich angewandte Symmetrieprinzip um einen entscheidenden Aspekt: Es stellt eine Verbindung zwischen den bekannten Bausteinen der Materie - den Leptonen und Quarks - und den zwischen ihnen wirkenden Kräften her. Um das bewerkstelligen zu können, wird gefordert, dass für jedes Elementarteilchen ein supersymmetrischer Partner existiert, der allerdings so massereich ist, dass er nur bei Kollisionsexperimenten erzeugt werden kann. So wird dem Elektron beispielsweise das Selektron, den Quarks die Squarks und dem Neutrino das Sneutrino zugeordnet. Auch die Teilchen, die die Kräfte vermitteln, erhalten jeweils ein supersymmetrisches Pendant: So heißt der schwere Partner des Photons - das Lichtquant vermittelt die elektromagnetische Kraft - Photino.

Kräffe unter einem Hut

Trotz des Wirrwarrs an zusätzlichen Teilchen, hat die Supersymmetrie einen entscheidenden Vorteil: Anders als das Standardmodell können, abgesehen von der Gravitation, die elektromagnetische sowie die schwache und die starke Kraft auf eine gemeinsame Wechselwirkung zurückgeführt werden.

Aber nicht nur Teilchenforschern, auch Astrophysikern kämen Susy-Teilchen wie gerufen, könnten die leichtesten Vertreter doch einen großen Teil der bisher unerklärten dunklen Materie bilden. Da diese nicht mit herkömmlicher Materie reagieren, können sie - so die Vorstellung - nicht so einfach nachgewiesen werden. Desweiteren könnte die Supersymmetrie das Rätsel lösen, warum es Materie, aber offenkundig keine Anti-Materie im Universum gibt, obwohl beides zu gleichen Teilen beim Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren entstanden waren.

Getrübte Hoffnungen

Groß waren die Hoffnungen der Cern-Forscher, im Laufe dieses Jahres mit dem LHC zumindest die leichtesten Varianten der supersymmetrischen Teilchen erzeugen und nachweisen zu können. Die Wasserstoffkerne, die im Teilchenbeschleuniger kreisen, kollidieren mit einer bislang unerreichten Energie von sieben Milliarden Elektronenvolt und mit einer Häufigkeit, dass auch seltene Ereignisse vergleichsweise leicht identifiziert werden können. Doch die Hoffnungen trübten sich im Frühjahr dieses Jahres ein, als die Großexperimente Atlas und CMS keine Spuren von supersymmetrischen Teilchen finden konnten. Daraufhin begannen die Forscher von LHCb mit der intensiven Suche. Anders als die Kollegen, studierten die Physiker des LHCb-Experiments extrem seltene Prozesse beim Zerfall von B-Mesonen und verglichen ihre Ergebnisse mit den Vorhersagen des Standardmodells.

Der ultimative Test

B-Mesonen bestehen aus einem Bottom-Quark und entstehen in großer Zahl bei den Protonen-Protonen-Zusammenstößen. "Wir haben Beobachtungsgrößen gewählt, die extrem empfindlich auf vieles sind, was noch zusätzlich existieren könnte, also auch auf supersymmetrische Effekte", sagt Ulrich Uwer von der Universität Heidelberg, der mit seiner Arbeitsgruppe an den jüngsten Messungen des LHCb-Experiments beteiligt war. Die Forscher haben unter anderem die Zerfallsraten gemessen, mit der neutrale B-Mesonen in zwei unterschiedlich geladene Myonen zerfallen. Zum anderen verglich man, die Zerfallsraten von B-Mesonen und deren Antimaterie-Pendants, den Anti-B-Mesonen. "In allen Fällen sind unsere bisherigen Ergebnisse im Einklang mit den Voraussagen des Standardmodells. Wir können die Befunde anderer Forschergruppen in Amerika und Japan nicht bestätigen, die bei einigen Zerfällen der B-Mesonen Asymmetrie-Effekte beobachtet hatten, die weit größer waren als die Berechnungen", so Uwer.

Dämpfer für die Supersymmetrie

"Die Natur ist, wie sie nun einmal ist", resümiert der Heidelberger Physiker die Ergebnisse, die jedenfalls einen Dämpfer für die Anhänger der Supersymmetrie bedeuten. Für Wolfgang Lerche, Theoretiker am Cern, ist es noch zu früh, irgendwelche größeren Schlüsse zu ziehen. „Die Messungen haben erst angefangen, und vielleicht waren die Hoffnungen einiger Kollegen auf schnelle Anfangserfolge tatsächlich ein wenig zu hochgeschraubt, insbesondere auch weil der LHC besser als erwartet arbeitet . Man muss nun abwarten und sehen.“ Sollte man nichts finden, so besteht doch die Hoffnung fort, dass sich die Susy-Teilchen bei höheren Kollisionsenergien zeigen, also in zwei Jahren, wenn im LHC die Protonen mit der doppelten Energie kollidieren. Und sollte sich die Natur noch immer nicht von der supersymmetrischen Seite zeigen, dann müssen die Theoretiker noch einmal grundsätzlich nachdenken.

Geduld ist der Rat der Stunde

„Ich denke dass, wenn man Susy nicht findet, die allgemeine Stimmung sehr davon abhaengen wird, was man stattdessen findet. In der Tat gibt es auch eine Reihe anderer Modelle, teils mehr, teils weniger
populär, welche mit Susy konkurrieren“, sagt Lerche. Deshalb es gelte es auch hier erst einmal ein paar Jahre abzuwarten. „Falls man ueberhaupt gar nichts Neues findet, wäre dies zwar natürlich schon enttäuschend“, räumt Lerche ein, sieht darin aber auch einen wissenschaftlicher Hinsicht einen Fortschritt: „Denn es geht ja nicht um Unterhaltung durch interessante Theorien, sondern um festzustellen, wie die Natur tatsaechlich funktioniert und wie nicht.“ Denn die Physiker wären wohl keine Physiker, würden sie das Handtuch vorschnell werfen. Für die Forscher wird es dann erst so richtig spannend.