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Grafik zur Simulations eines Schwarzen Lochs.

"Was die Welt im Innersten zusammenhält"

Das Wissen über die kleinsten Bausteine des Universums lässt noch viele Fragen offen. Für manche Antworten existieren bereits viele neue Theorien. Um die richtige davon herauszufinden, vergleichen Physiker die Modelle auch mit betrunkenen Studenten.

ÖAW Young Science 04.05.2012

Für die Elementarteilchenphysik existiert ein Standardmodell, das die kleinsten Teilchen und ihr Verhalten beschreibt. Doch mit diesem Modell lassen sich nicht alle offenen Fragen beantworten. Wie das Modell erweitert werden könnte und wie Wissenschaftler dabei vorgehen, erklärt der Physiker Sebastian Frank in einem Gastbeitrag.

Das Standardmodell und viele offene Fragen

Von Sebastian Frank

Porträt Sebastian Frank

Sebastian Frank

Zur Person:
Sebastian Frank (geboren 1978) hat Technische Physik an der Johannes Kepler Universität Linz studiert und erforscht in seiner Dissertation am Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften die Phänomenologie von supersymmetrischen Modellen in der Teilchenphysik. Nebenbei ist er auch in der Öffentlichkeitsarbeit des Instituts tätig, welche die modernste Teilchenphysikforschung einem breiten interessierten Publikum, speziell auch Kindern ab dem Volksschulalter, zugänglich macht.

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik ist eine äußerst erfolgreiche Theorie, welche alle heute bekannten Elementarteilchen und deren fundamentale Wechselwirkungen (elektromagnetische, schwache und starke Kraft) beschreibt.

Doch obwohl das Standardmodell so erfolgreich ist, kann es einige offene Fragen nicht beantworten. Unter anderem kann es nicht erklären, woraus Dunkle Materie besteht, die rund 83 Prozent der gesamten Materie im sichtbaren Universum ausmacht. Weiter ist nicht erklärbar, warum es überhaupt soviel Materie im Universum gibt.

Schema des Standardmodells

Sebastian Frank

Der Teilchengehalt des Standardmodells der Elementarteilchenphysik

Supersymmetrie SUSY

Es gibt jedoch schon viele Ideen, wie man das Standardmodell erweitern könnte, um auch diese offenen Fragen zu beantworten. Eine besonders populäre Idee ist, das Modell um eine neue, noch hypothetische Symmetrie der Natur namens Supersymmetrie - oder kurz SUSY - zu erweitern. Sie ist eine abstrakte Symmetrie zwischen den beiden Teilchenarten Bosonen (wie z. B. den Kraftteilchen) und Fermionen (wie z. B. den Quarks und Leptonen, aus denen Materie besteht).

Durch die Supersymmetrie bekommt im einfachsten Fall jedes Teilchen des Standardmodells einen "Superpartner", mit dem man einige der offenen Fragen beantworten könnte. Beispielsweise könnte das leichteste, ungeladene SUSY-Teilchen der Baustein der Dunklen Materie sein.

Schema von SUSY

Sebastian Frank

Der Teilchengehalt des Minimal Supersymmetrischen Standardmodells (MSSM)

Es gibt allerdings viele verschiedene Möglichkeiten, wie man nun ganz konkret das Standardmodell um SUSY erweitern kann. All diese verschiedenen SUSY-Modelle haben dabei jeweils teils unterschiedliche und noch unbestimmte Parameter. Aber welches Modell - wenn überhaupt - beschreibt nun die Realität? Und was sind die genauen Parameterwerte (der Massen und Wechselwirkungen der SUSY-Teilchen) des richtigen Modells?

Die Suche nach der richtigen Theorie

ÖAW Young Science:

Der Text ist Teil des Projektes Young Science, im Zuge dessen Gastbeiträge von jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Österreichischen Akademie der Wissenschaften erscheinen. Das Projekt ist eine Kooperation zwischen Ö1/science.ORF.at und der Akademie der Wissenschaften.

Um - unter anderem - in diesem Theoriendschungel das richtige Modell und dessen Parameterwerte zu finden, hat man den stärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, den Large Hadron Collider gebaut und die dazugehörigen Großexperimente CMS (Compact Muon Solenoid) und ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) am CERN bei Genf gestartet.

Die Interpretation der experimentellen Resultate ist jedoch sehr schwierig. Es ist normalerweise viel komplizierter, von den Resultaten auf die zugrunde liegende Theorie zurückzuschließen, als umgekehrt aus der Theorie eine Vorhersage für das Experiment zu machen. Uns interessiert aber dieser komplizierte Fall: Wir wollen aus den gemessenen Resultaten auf die Wahrscheinlichkeit für eine Theorie und deren Parameterwerte zurückschließen.

Diese Wahrscheinlichkeiten lassen sich dagegen oft nur schwer berechnen, wenn man eine Theorie mit vielen Parametern hat, die man jedoch alle gleichzeitig berücksichtigen muss. Es gibt aber eine elegante Methode, mit der man sie dennoch berechnen kann.

Der betrunkene Student

Das Prinzip lässt sich am besten mit einem betrunkenen Studenten auf dem Weg nach Hause erklären. Nehmen wir an, dass er sich in ebenem Gelände bewegt, das mit Bäumen übersät ist (siehe Bild). Er beginnt mit jeweils gleicher Wahrscheinlichkeit nach links oder rechts zu gehen, bis er auf ein Hindernis stößt. Dort entscheidet er sich von neuem, ob er mit gleicher Wahrscheinlichkeit nach links oder rechts weitergeht, er beschreitet einen zufälligen Weg. Aufgrund dieser identischen Wahrscheinlichkeiten ist der Aufenthalt an allen Orten überall gleich häufig.

Der betrunkene Student auf ebener Fläche.

Sebastian Frank

Der betrunkene Student auf ebener Fläche

Wenn der Student jedoch in einem unebenen Gelände nach Hause geht (siehe Bild), werden sich die Wahrscheinlichkeiten für links oder rechts unterscheiden: Er wird häufiger die Richtung wählen, die bergab führt. Dadurch wird man ihn auch häufiger an einem niedriger gelegenen Ort auffinden.

Der betrunkene Student auf unebener Fläche.

Sebastian Frank

Der betrunkene Student auf unebener Fläche

Auf diese Weise tastet er Schritt für Schritt ein ihm unbekanntes Gelände ab. Je länger der Student dabei herumtorkelt, desto genauer gibt seine Aufenthaltswahrscheinlichkeit die Landschaft wieder.

Vorhersagen mit Monte-Carlo

Nach demselben Prinzip kann man nun eine komplexe und unbekannte Wahrscheinlichkeitslandschaft der Parameterwerte einer Theorie abtasten. Statt einem betrunkenen Studenten läuft aber nun ein zufallsgesteuertes Scan-Programm (namens Markov-Chain-Monte-Carlo) durch den höherdimensionalen Parameterraum der Theorie. Wenn das Programm genügend lange läuft, gibt es über die Häufigkeit der besuchten Parameterpunkte die Wahrscheinlichkeit dieser Parameterwerte wieder.

Die Wahrscheinlichkeitslandschaft spiegelt dabei stets wieder, wie gut eine Theorie mit den experimentellen Resultaten vereinbar ist. Je mehr Resultate berücksichtigt werden, desto detaillierter wird die Landschaft (und desto besser werden die Rückschlüsse auf die Theorie).

Dadurch erhält man eine Art Wettervorhersage für eine bestimmte Theorie. Doch statt den Wahrscheinlichkeiten von zum Beispiel Temperatur, Niederschlag und Luftdruck erhält man nun die wahrscheinlichsten Wertebereiche aller Parameter eines bestimmen, komplexen SUSY-Modells, welche zuvor noch völlig unbestimmt waren (siehe Bild, welches die wahrscheinlichsten Werte zweier Massenparameter zeigt). Durch Hinzufügen der jeweils aktuellsten Resultate kann man schrittweise die wahrscheinlichsten Wertebereiche weiter einschränken. Falls das SUSY-Modell die Realität beschreibt, schrumpfen die Wertebereiche letztendlich zu einem Punkt zusammen, die Parameterwerte sind eindeutig bestimmt.

Schema zur "Wettervorhersage" der Elementarteilchen.

Sebastian Frank

Schema zur "Wettervorhersage" der Theorien

In unserer Theoriegruppe berechnen wir solche Vorhersagen für bestimmte SUSY-Modelle, indem wir aus den relevantesten experimentellen Resultaten mittels der obigen Methode auf ein oder mehrere Modelle zurückschließen. Dadurch tragen wir zu den weltweiten Anstrengungen bei, unter den verschiedenen, konkurrierenden Theorien letztendlich diejenige zu ermitteln, welche die Physik - und somit unsere Realität - jenseits des Standardmodells der Elementarteilchenphysik am besten beschreibt.

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