Oszillieren Neutrinos? Gibt es Higgs Teilchen? Wo ist die Antimaterie? Wieviel Dimensionen hat das Universum?
Dies sind die brennendsten Fragen, die die Teilchenphysik im jungen 21. Jahrhundert stellt und die die Physiker dazu bewegen, gigantische Beschleuniger und Detektoren zu konstruieren und zu betreiben.
Das vergangene Jahrhundert hat revolutionäre Entdeckungen der Teilchenphysik gebracht. Die Quarks erwiesen sich als die kleinsten Bauelemente, wir lernten, dass zu jedem Teilchen ein Antiteilchen gehört und dass Kräfte durch Austausch von Quantenteilchen, sogenannten Bosonen, übertragen werden. Allmählich zeichnete sich das sogenannte Standardmodell der Teilchenphysik ab. Obwohl dieses Modell glänzende Übereinstimmung mit den meisten Beobachtung zeigt, verbleiben viele Fragen und grundlegende Rätsel zu lösen.
Die Lösung des Neutrino Rätsels
Neutrinos sind die flüchtigsten Elementarteilcehn. Sie wurden 1931 vorausgesagt, aber es berauchte mehr als 20 Jahre bis sie experimentell nachgewiesen werden konnten. Auch heute wissen wir erst sehr wenig von Ihnen und ihr größtes Geheimnis ist ihre Masse. Die Physiker haben drei verschiedene Neutrinosorten identifizieren können, die alle viel leichter als das Elektron sind. Da sie im Weltall in Hülle und Fülle vorkommen, könnten auch bei kleinsten Neutrinomassen bis zu 5% der Gesamtmasse des Universums durch Neutrinos zustandekommen. Das Kamioka Observatorium in Japan und neuerdings das Sudbury Neutrino Observatory fanden signifikante Hinweise auf eine von Null verschiedene Neutrinomasse. Laufende und zukünftige Neutrino Experimente halten Ausschau nach Neutrino-Oszillationen, das sind Umwandlungen innerhalb der drei Neutrinosorten, die ein eindeutiger Hinweis auf Neutrinomasse wären.
Die Jagd auf das Higgs Boson
Das derzeit gängige theoretische Gebäude der Teilchenphysik ist aufs engste mit einem hypothetischen Teilchen, dem Higgs Boson, verbunden, das eine neuartige Kraft überträgt. Die Physiker glauben, dass es das letzte fehlende Stück im Standard Modell ist und seine Entdeckung die Erklärung liefern würde, warum manche Teilchen Masse haben und manche nicht. Wenn die Natur kein Higgs kennen würde, dann wären andere Teilchen und Kräfte zu erfinden, um das Standardmodell zu retten und die Entstehnung von Masse zu erklären.
Wo ist die Antimaterie?
Die Teilchenphysiker können Antimaterie mit Beschleunigern erzeugen und derzeitige Experimente untersuchen die Eigenschaften von Antiwasserstoff. Unsere Alltagswelt wird jedoch komplett von Materie doniniert. Wohin verschwand die Antimaterie?
Die Wissenschafter glauben, dass das frühe Universum gleich viele Teilchen wie Antieilchen enthielt. Bei deren gegenseitigen Wechselwirkungen favorisierte die Natur eine Assymmetrie zugunsten des Überlebens der Teilchen also der Materie. An den Beschleunigern versuchen die Forscher diesen Prozess der Symmetriebrechung bei bestimmten Elementarteilchen nachzuvollziehen und verstehen zu lernen.
Extra Dimensionen?
Niemand kennt die tatsächliche Größe und Form von fundamentalen Teilchen wie den Quarks. Die Experimente lieferten obere Grenzen für ihre Größe aber niemand weiss wie winzig sie wirklich sind. Die Teilchenphysiker sprechen bei Quarks und anderen Fundamentalteilchen von punktartigen Objekten, die überhaupt kein Volumen haben. String Theorien jedoch fassen Teilchen als kleine Schlingen auf, die wie die Saiten einer Violine schwingen können.
Obwohl wir unsere Welt in drei räumlichen und einer zeitliche Dimension wahrnehmen, könnten jedem Punkt des Universums winzige kleine zusätzliche Dimensionen zugeordnet sein. Nur ganz gewisse Teilchensorten würden deren Anwesenheit fühlen. Im Kontext der Strintheorien würde man erklären können, warum im atomaren Bereich die Gravitationskraft viel schwächer ist als alle anderen Kräfte. Die jüngste Generation der Teilchenphysik Experimente konzentriert sich auf die Erforschung der "Raumzeit" in allerkleinsten Abständen.
(Quelle: Fermi National Accelerator Laboratory)
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