5 große Fragen der Teilchenphysik und Kosmologie

Was ist der Ursprung der Masse?

Die Massen der Materieteilchen (Quarks und Leptonen) sowie der Austauschteilchen der Fundamentalkräfte (Photon, W+, W- und Z0 -Boson) sind heute zum überwiegenden Teil mit hoher Genauigkeit experimentell bestimmt.

Das Photon besitzt keine Masse. Diese Tatsache lässt sich durch die so genannte Eichsymmetrie der elektromagnetischen Wechselwirkung erklären. Ebenso kann man die großen Massen der W- und Z-Teilchen durch die spontane Brechung der elektroschwachen Eichsymmetrie verstehen. Die Massen der elektrisch geladenen Leptonen (Elektron, Myon, Tauon) sind sehr präzise gemessen. Von den neutralen Leptonen (den in drei verschiedenenen Typen auftretenden Neutrinos) kennt man die absoluten Größen ihrer Massen zwar noch nicht, man weiß jedoch, dass diese sehr klein sein müssen. Aus Neutrino-Oszillationsexperimenten konnten außerdem die Differenzen der Massenquadrate der drei Neutrinos bestimmt werden. Obwohl Quarks nicht als freie Teilchen, sondern nur in Hadronen gebunden auftreten, können ihre Massen durch ein kompliziertes Zusammenspiel von Theorie und Experiment gut bestimmt werden.

Die Massen der aus drei Quarks aufgebauten Kernbausteine (Nukleonen) Proton und Neutron sind sehr genau bekannt. Nun tragen aber die Quarkmassen nur mit einem Anteil von wenigen Prozent zur Gesamtmasse der Nukleonen bei. Der Hauptanteil ist Bindungsenergie aufgrund der starken Wechselwirkung. Die Quantenchromodynamik (QCD) beschreibt die starke Wechselwirkung durch Austausch von Gluonen und erlaubt im Prinzip, den Hauptanteil der Nukleonmasse zu erklären. Wieder spielt hier die spontane Brechung einer Symmetrie, der so genannten chiralen Symmetrie der QCD, eine zentrale Rolle. Dieses theoretische Bild wird durch immer präzisere Gittereichrechnungen gestützt.

Völlig ungeklärt sind aber die folgenden Fragen: Wieso ist das Elektron gerade 1836-mal leichter als das Proton? Wieso beschert die Natur dem Elektron einen 207-mal schwereren Zwilling, das Myon? Als ob das noch nicht genug wäre, gesellt sich auch noch das 3477-mal schwerere Tauon in diese Reihe geladener Leptonen. Wieso sind dagegen die Massen der Neutrinos so viel kleiner als jene ihrer geladenen Verwandten? Bei den Quarks sind die Massenunterschiede ebenfalls gewaltig. So liegen zwischen den Massen der leichten up- und down-Quarks und der Masse des top-Quarks mehr als vier Größenordnungen.

Das Standardmodell der Teilchenphysik verknüpft die Massen von Quarks und Leptonen mit einem Feld, das gleichsam ein Hintergrundfeld des Universums ist. Das damit verbundene Elementarteilchen ist das 2012 von den LHC Experimenten ATLAS und CMS gefundene Higgs-Teilchen mit einer Masse von 126 GeV/c2. Dieser experimentelle Nachweis ist eine Art Schlussstein im Bauwerk des Standardmodells. Allerdings erklärt auch diese Theorie nicht, woher die individuellen Stärken der Kopplungen der Quarks und Leptonen an das Higgs-Feld und damit die experimentell gemessenen Werte der Quark- und Leptonmassen kommen. So wird die Frage nach deren Massen wieder um eine Stufe weiter verschoben. Derzeit gehören also diese Massenwerte zur Liste der Naturkonstanten, für deren Zahlenwerte noch keine Erklärung vorliegt. Solch eine Erklärung ist nur durch Physik jenseits des Standardmodells möglich.

Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie?

Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass heute das gesamte Universum (und nicht bloß unsere Galaxie) aus Materie besteht und kaum aus Antimaterie. Gleichzeitig zeigen Beschleunigerexperimente bei ähnlichen Energien wie im frühen Universum, dass Teilchen und Antiteilchen im gleichen Verhältnis erzeugt werden. Es ist eine der wichtigsten Aufgaben der Teilchenphysik und der Kosmologie, diese Diskrepanz zu erklären. In Erklärungsansätzen für diese ”Baryon-Asymmetrie“ spielt die Verletzung der CP-Symmetrie eine wichtige Rolle, wobei man unter CP-Transformation die Vertauschung von Teilchen und Antiteilchen und die darauffolgende räumliche Spiegelung versteht.

CP-Verletzung wurde experimentell bereits in schwachen Zerfällen von Kaonen und B-Mesonen beobachtet. Allerdings reicht diese heute bekannte CP-Verletzung bei weitem nicht aus, um die Dominanz der Materie im Universum zu erklären. Gibt es neue Arten von CP-Verletzung bei hohen Energien, im Leptonsektor, oder sogar in der starken Wechselwirkung? Ein Beispiel für eine äußerst sensitive Messgröße zur Suche nach CP-Verletzung durch neue Physik ist das elektrische Dipolmoment des Neutrons.

Gibt es eine vereinheitlichte Beschreibung aller Fundamentalkräfte?

Das Standardmodell der Teilchenphysik, das in seinen Grundzügen bereits Anfang der 1970er Jahre etabliert war, ist eine spezielle Quantenfeldtheorie, die präzise die bekannte Materie und ihre Wechselwirkungen beschreibt. Für die Erklärung der inzwischen entdeckten Massen der Neutrinos ist allerdings noch keine eindeutige Erweiterung des Standardmodells gefunden worden. Darüber hinaus bietet es keinen Platz für die von der Astrophysik postulierte dunkle Materie, und auch keine geeigneten Mechanismen für die von der Kosmologie geforderte Inflation. Das Standardmodell bietet zwar eine Vereinheitlichung von Elektromagnetismus und schwachen Kernkräften, aber die Details der Theorie mit ihren zahlreichen elementaren Bausteinen und Parametern erscheinen etwas zu kompliziert und willkürlich für eine endgültige Theorie. Es liegt daher nahe, die noch fehlenden Aspekte in einer umfassenderen Theorie zu suchen. Die attraktivsten Ideen dazu, nämlich Supersymmetrie (SUSY), ”Große Vereinheitlichte Theorien“ (GUT) und “verborgene Dimensionen” sind alle mit einer Vergrößerung des Symmetriegehaltes verbunden. Als Kandidat für eine ultimative Vereinheitlichung, die auch eine Quantentheorie der Gravitation beinhaltet, integriert die Stringtheorie Supersymmetrie und zehn Raum-Zeit-Dimensionen auf natürliche Weise.

Supersymmetrie (SUSY): Mit Ausnahme des Higgs-Teilchens sind alle Elementarteilchen entweder Materieteilchen mit halbzahligem Drehimpuls, die dem Pauli-Verbot gehorchen oder Kraftteilchen mit ganzzahligem Spin, die makroskopische Quantenzustände (z. B. Laserlicht) bilden können. Supersymmetrie in Quantenfeldtheorien wurde 1974 von Wess und Zumino entdeckt und ist eine Symmetrie, die Materie- und Kraftteilchen eng miteinander verbindet. So wie die Quantenfeldtheorie zu jedem Teilchen ein Antiteilchen mit entgegengesetzter Ladung erfordert, postulieren supersymmetrische Theorien zu jedem Teilchen des Standardmodells ein Partnerteilchen mit anderem Spin. Das leichteste dieser noch hypothetischen Teilchen wäre ein natürlicher Kandidat für die dunkle Materie und könnte entweder direkt am LHC entdeckt oder indirekt über Präzisionsmessungen bei niedrigen Energien erschlossen werden.

Große Vereinheitlichte Theorien (GUTs): Bei extrem hohen Energien ändern sich die Stärken der Wechselwirkungen von Elementarteilchen aufgrund von Quantenffekten, sodass es plausibel erscheint, dass für Energien, die nochmals um einen Faktor 1012 über denen des LHC liegen, die elektromagnetische, die schwache und die starke Wechselwirkung gleich stark werden und sich in einer gemeinsamen höhersymmetrischen Struktur verbinden, zumindest wenn es bestimmte Elementarteilchen gibt, wie sie durch die Supersymmetrie auch vorhergesagt werden.

Verborgene Dimensionen und Stringtheorie: Die Idee einer Vereinheitlichung der Naturkräfte durch eine mikroskopisch kleine fünfte Dimension geht bereits auf den Anfang des 20. Jahrhunderts zurück, als Nordström, Kaluza und Klein erkannten, dass in der Einsteinschen Gravitationstheorie der Elektromagnetismus über eine zusätzliche räumliche Dimension geometrisch eingebaut werden könnte. Analog könnten weitere Wechselwirkungen in komplizierten höherdimensionalen Geometrien realisiert werden. Die Stringtheorie sagt bemerkenswerterweise sowohl Supersymmetrie vorher, als auch die Existenz von so viel mehr Dimensionen wie für eine ”Große Vereinheitlichung” auf geometrischem Weg nötig sind. Eines der wichtigsten Programme der Teilchenphysik ist die experimentelle Überprüfung derartiger Erweiterungen des Standardmodells.

Was ist die dunkle Materie im Universum?

Die uns bekannten Elementarteilchen tragen nur zirka 5 % zur Gesamtenergie des Universums bei. Die restlichen 95 % sind nach dem Standardmodell der Kosmologie dunkle Materie (zirka 23 %) und dunkle Energie (zirka 72 %). Wir wissen von verschiedenen astrophysikalischen und kosmologischen Beobachtungen, dass dunkle Materie und dunkle Energie existieren müssen, beispielsweise aus den Rotationskurven von Galaxien, den Fluktuationen im kosmischen Mikrowellenhintergrund und der Beobachtung der kosmischen Beschleunigung.

Dunkle Energie ist die Energie des leeren Raumes, die man noch vor zwei Jahrzehnten für Null hielt. Aufgrund der Beschleunigung von entfernten Supernovae wissen wir aber, dass die Energie des leeren Raumes nicht nur ungleich Null ist, sondern sogar das Energiebudget des gesamten Universums dominiert! Das Verständnis des exakten Wertes dieser Energie gilt als eines der größten ungelösten Rätsel der theoretischen Physik, und wird auch als das Problem der kosmologischen Konstante bezeichnet. Dunkle Materie ist eine bis dato unbekannte Form von Materie. Eine wesentliche offene Frage ist: Was ist dunkle Materie? Wird sie aus Elementarteilchen gebildet, die am LHC entdeckt werden können, z. B. den leichtesten supersymmetrischen Teilchen? Oder besteht sie aus Axionen, die eine CP-verletzende Spin-Massekopplung vermitteln und in Versuchen mit Neutronen entdeckt werden könnten? Oder handelt es sich gar um eine exotische Form von Materie, die in keine der gängigen Theorien passt?

Gibt es mehr als drei Raumdimensionen?

Aus dem Alltag kennen wir drei Raum- und eine Zeitdimension. Es gibt aber keinen zwingenden Grund, dass dies der tatsächlichen Zahl der Dimensionen entspricht: z. B. ist es denkbar, dass mehr als drei Raumdimensionen existieren, von denen alle bis auf drei nur sehr geringe Ausdehnungen haben, sodass sie praktisch unsichtbar sind, und erst bei Experimenten, die sehr kleine Abstände auflösen können, sichtbar werden.

Die Stringtheorie – die einzig bekannte Theorie, die alle fundamentalen Wechselwirkungen konsistent beschreibt – sagt die Existenz von zehn Raumdimensionen vorher, von denen sieben bisher experimentell noch nicht nachgewiesen sind. Diese zusätzlichen Dimensionen können aber im Prinzip durch Teilchenphysikexperimente bei entsprechend hohen Energien und/oder hoher Präzision sichtbar gemacht werden. Ein weiterer Aspekt der Stringtheorie ist die bahnbrechende Idee, dass die Anzahl der Dimensionen von der Betrachtungsweise abhängt: Es ist möglich, ein und denselben physikalischen Sachverhalt mit Hilfe von so genannten Dualitäten durch zwei auf den ersten Blick verschiedene Theorien zu beschreiben, die noch dazu in unterschiedlichen Dimensionen formuliert sind.

Die Idee, die Komplexität unserer Naturgesetze auf geometrische Strukturen von verborgenen Dimensionen zurückzuführen, wie es Einsteins Traum entspricht, ist durch viele konkrete Erfolge im Bereich theoretischer Modellbildungen attraktiver denn je.

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