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Detektor des CMS-Experiments

"Ich glaube nur, was ich sehe"

Der Teilchenzoo ist vorerst komplett: Der Nachweis des Higgs-Teilchens klärt endlich den Ursprung der Masse im Universum - und wirft neue Fragen auf. Die österreichische Physikerin Claudia Wulz spricht in einem Interview über mögliche Entdeckungen der Zukunft: exotische Teilchen, verborgene Dimensionen und Schwarze Löcher im Miniaturformat.

Physik 29.04.2013

science.ORF.at: Am 4. Juli 2012 haben CERN-Physiker die Entdeckung eines "Higgs-artigen" Teilchens verkündet. Mittlerweile spricht man etwas konkreter von "einem", wenn auch noch nicht vom "dem Higgs-Teilchen". Welche Unsicherheiten bestehen noch?

Claudia Wulz: Was auf jeden Fall sicher ist: Wir haben ein komplett neuartiges Teilchen gefunden. Dieses Teilchen hat einen Spin von Null - das heißt, es repräsentiert ein Feld ohne ausgezeichnete Richtung, es erfüllt das Universum gleichmäßig.

Claudia Wulz

Astrid Bartl

Claudia Wulz leitet die am CERN tätige Forschergruppe des Instituts für Hochenergiephysik. Zur Zeit ist sie auch
"Deputy Collaboration Board Chair" des CMS-Experiments - eines jener Experimente, die zum Nachweis des Higgs-Teilchens geführt haben.

Glossar:

Das Higgs-Teilchen bzw. Higgs-Feld verleiht der Materie laut Theorie ihre Masse.
Das Standardmodell ist die - bislang bestens bestätigte - physikalische Beschreibung der Elementarteilchen.
Die Supersymmetrie ist eine mögliche Erweiterung des Standardmodells - sie könnte unter Umständen die Bestandteile der Dunklen Materie bereitstellen. Die Existenz letzterer wurde noch nicht bewiesen, gilt aber als wahrscheinlich: Denn im Universum gibt es zu wenig sichtbare Materie, um die Bewegungen der Galaxien erklären zu können.
Die Dunkle Energie ist laut Physikern die Ursache für die beschleunigte Expansion des Universums. Ihr Status ist mysteriös: Woraus sie besteht, ist völlig ungeklärt.

Ö1 Sendungshinweis:

Diesem Thema widmete sich auch ein Beitrag in Wissen aktuell: 25.4., 13:55 Uhr.

Diese Eigenschaft ist vollständig mit den Berechnungen des britischen Physikers Peter Higgs kompatibel, der die Existenz des sogenannten Higgs-Bosons vorausgesagt hat. Allerdings müssen wir noch dessen Zerfallsraten und andere Details messen. Erst dann wissen wir, ob es das Teilchen ist, das Peter Higgs im Sinn hatte.

Die Voraussage von Peter Higgs ist Teil des sogenannten Standardmodells der Elementarteilchen?

Genau. Das Standardmodell sagt die Existenz eines Higgs-Teilchens voraus. Es könnte aber sein, dass alles ein wenig komplizierter ist und es mehrere gibt. Vielleicht finden wir Hinweise dafür, wenn der Teilchenbeschleuniger LHC wieder in Betrieb geht.

Angenommen, es werden tatsächlich mehrere Higgs-Teilchen nachgewiesen: Welche Theorie müsste dann das Standardmodell ersetzen?

Unter Umständen die sogenannte Supersymmetrie, kurz SUSY. Sie geht davon aus, dass zu jedem Teilchen des Standardmodells ein zusätzliches Partnerteilchen existiert. Laut SUSY müsste es insgesamt fünf Higgs-Teilchen geben. Es könnte sein, dass die beiden leichtesten Higgs-Teilchen eine sehr ähnliche Masse besitzen.

Das würde bedeuten, dass das von uns entdeckte Signal in Wahrheit von zwei statt von einem Teilchen stammen würde. Das ist zwar nicht wahrscheinlich, aber möglich. Momentan ist unsere Auflösung noch nicht groß genug, um das entscheiden zu können.

Momentan ist der Teilchenbeschleuniger LHC abgeschaltet. Wann geht er wieder in Betrieb und welche Energie wird er erreichen?

Wenn alles gut geht, starten wir Ende 2014. Wissenschaftlich interessant wird es wohl erst 2015, denn wir müssen den Beschleuniger behutsam starten. Bisher haben wir unsere Teilchenkollisionen mit sieben bis acht Teraelektronenvolt (TeV) durchgeführt. Nach der Überarbeitung des LHC werden es 13 bis 14 sein.

Reicht das aus, um die supersymmetrischen Teilchen nachweisen zu können?

Zumindest ist unser Phasenraum für Nachweise deutlich größer. Das Problem ist, dass die Theorie keine konkreten Voraussagen über die Massen der supersymmetrischen Teilchen macht. Theoretisch könnten sie auch so schwer sein, dass wir sie mit dem LHC nicht sehen können.

CMS-Detektor

Samuel Morier-Genoud

Ein Messgerät, groß wie ein Haus: Mit Hilfe des CMS-Detektors wurde das Higgs-Teilchen nachgewiesen.

Antworten dürfen wir für 2015 erwarten?

Sicher keine endgültigen. Aber wenn etwas nachweisbar ist, könnte es bis dahin Hinweise geben, ja. Um ehrlich zu sein: Wir wären ziemlich enttäuscht, wenn wir 2015 nichts anderes als das Standardmodell gesehen hätten.

Warum wären Sie enttäuscht?

Das Standardmodell ist eines der erfolgreichsten Modelle der Physik. Aber es kann nicht alles erklären. Etwa die Dunkle Materie - sie ist im Standardmodell nicht enthalten. Gleiches gilt für die Gravitation. Auch die Dunkle Energie, die unser Universum auseinandertreibt, kommt darin nicht vor. SUSY hätte den Vorteil: Sie würde einen Kandidaten für die Dunkle Materie bereitstellen.

Welcher wäre das?

Das sogenannte Neutralino. Das ist ein Teilchen ohne elektrische Ladung mit noch unbekannter Masse. Jüngste Experimente haben jedenfalls Hinweise auf seine Existenz gefunden.

Kommen wir zur Supersymmetrie-Theorie: Was macht das Prinzip der Symmetrie so attraktiv?

Wir Physiker verstehen darunter etwas anderes, als im Alltag damit gemeint ist. Symmetrie bedeutet, dass sich physikalische Gesetze nicht ändern sollten, wenn man zum Beispiel ein anderes Koordinatensystem wählt. Sie sollten überall in gleicher Weise gelten.

Symmetrie hält die Dinge übersichtlich. Aber vielleicht ist die Welt nicht übersichtlich: Steckt in dieser Annahme nicht auch ein bisschen Metaphysik?

Würden die Naturgesetze nicht universell gelten, wäre das erst Recht Metaphysik aus meiner Sicht.

Immerhin gibt es die Idee, dass Naturkonstanten einer zeitlichen Veränderung unterworfen sein könnten.

Stimmt, diese Ideen gibt es, etwa in der Stringtheorie. Dahinter stecken komplexe Modelle, die selbst die meisten Physiker nicht wirklich verstehen.

Vollkommen symmetrisch scheint auch die Welt in der Supersymmetrie nicht zu sein. Sonst wären sämtliche Elementarteilchen genau so schwer wie ihre vermuteten Partnerteilchen - was nicht der Fall ist.

In Bezug auf die Masse ist die Symmetrie auch in dieser Theorie gebrochen, richtig.

Wird es einmal eine Theorie geben, die auch diese Asymmetrien beseitigt? Eine Super-Supersymmetrie?

Mir ist nichts dergleichen bekannt. Aber warum nicht?

Was ist mit den anderen Leerstellen des Standardmodells?

Die Dunkle Energie käme in SUSY auch nicht vor. Dafür würde man schon die Stringtheorie benötigen, die ihrerseits die Supersymmetrie beinhaltet. Die Stringtheorie sagt voraus, dass es mehr Raumdimensionen gibt als nur drei.

Extrateilchen, Extradimensionen: Lassen sich die Phänomene durch Vervielfachung der physikalischen Zutaten besser in den Griff kriegen?

Absolut, das ist alles von der Mathematik her motiviert. Zusätzliche Raumdimensionen könnten etwa erklären, warum die Gravitation im Vergleich zur Kernkraft, die Protonen aneinander bindet, so schwach ist. Die Zusatzdimensionen sind laut Stringtheorie "aufgerollt", d.h. in unseren Größenordnungen bislang nicht zugänglich. Möglicherwiese ist die Gravitation in diesen anderen Dimensionen stärker als im dreidimensionalen Raum.

Wie viel Energie bräuchte man bei Teilchenkollisionen, um das zu sehen?

Das ist offen, aber es ist nicht auszuschließen, dass wir etwas in dieser Richtung entdecken werden. Falls die aufgerollten Dimensionen zugänglich sind, könnten bei den Kollisionen im LHC auch kleine Schwarze Löcher entstehen.

Tatsächlich?

Das ist eine Vermutung. Falls sie entstehen, dann nur ganz kurz: Die Theorie sagt auch voraus, dass sie sofort verschwinden. Sie würden nach etwa 10 hoch minus 26 Sekunden wieder zerstrahlen.

Wovon hängt es ab, ob ein Schwarzes Loch im Kleinformat entstehen kann?

Von der Größe der aufgerollten Dimensionen. Je kleiner sie sind, desto mehr Energie müsste man hineinstecken, um sie zugänglich zu machen. Aber wie gesagt: alles Hypothese. Würden wir so ein Schwarzes Loch finden, wäre das jedenfalls eine gigantische Entdeckung.

Bitte um eine Prognose: Was wird in den nächsten zwei, drei Jahren passieren?

Ich kann nicht sagen, ob wir eine neue Physik entdecken werden oder nicht. Ich hoffe darauf.

Anders formuliert: Standardmodell oder SUSY?

Ich halte die Supersymmetrie für eine vernünftige Theorie, aber man muss die experimentelle Bestätigung abwarten. Ich glaube nur das, was ich sehe.

Interview: Robert Czepel

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