Was bedeuten die neuen Erkenntnisse am CERN für die Zukunft der Teilchenphysik? Und wie stehen die Chancen für die Stringtheorie, den besten Kandidaten für eine „Weltformel”? Antworten von Physik-Nobelpreisträger David Gross.
David Gross
Er erhielt 2004 zusammen mit seinem Doktoranden Frank Wilczek und mit David Politzer den Physik-Nobelpreis für die Entdeckung, dass sich die Quarks fast unabhängig voneinander bewegen, wenn sie nahe beisammen sind, aber sich nicht weit voneinander entfernen lassen. Seit den 1960er-Jahren arbeitet Gross auch im Bereich der Stringtheorie. Geboren wurde er 1941 in Washington, D.C. Nach Forschungsaufenthalten an der Harvard University und am CERN war er ab 1969 Professor an der Princeton University und von 1997 bis 2012 Direktor des Kavli Institute for Theoretical Physics an der University of California in Santa Barbara, wo er noch heute forscht.
bild der wissenschaft: Ist das am CERN entdeckte Teilchen das Higgs-Boson – und wie geht es weiter?
David Gross: Es sieht ganz danach aus. Das Teilchen zeigt sich genau in den Zerfallskanälen, wo man es seit Langem erwartet hat. Es hat eine Masse, die mit den Voraussagen des Standardmodells der Elementarteilchen in Einklang steht, ebenso das richtige Zerfallsverhalten. Jetzt muss das Teilchen noch genau charakterisiert werden. Die Entdeckung zeigt, dass der LHC und die Detektoren sehr gut arbeiten. Nun können sich die Forscher darauf konzentrieren, nach bislang unbekannten Effekten zu suchen – also nach Anzeichen für eine neue Physik jenseits des Standardmodells der Elementarteilchen.
Welche grundlegenden Fragen hätten Sie denn gerne geklärt?
Ich hoffe, dass ich noch am Leben bin, wenn drei große Rätsel gelöst werden. Erstens: Wie lassen sich die vier Grundkräfte der Natur vereinheitlichen? Mit dem LHC haben wir eine Chance, darauf eine Antwort zu finden und zu erfahren, ob sie in den Rahmen der Stringtheorie passt, die eine einheitliche Beschreibung aller Kräfte und Teilchen liefert. Zweitens: Wie begann das Universum und wie wird es enden? Das werden wir vielleicht mithilfe von Messungen der Kosmischen Hintergrundstrahlung und Gravitationswellen herausfinden. Aber die größte Chance würden Fortschritte bei einer Theorie der Quantengravitation eröffnen. Schließlich drittens: Was ist die Stringtheorie?
Wie meinen Sie das?
Die Stringtheorie ist eigentlich noch gar keine Theorie. Das Standardmodell der Elementarteilchen ist eine Theorie. Man kann damit physikalische Vorgänge berechnen. Die Stringtheorie hat keine derartigen Gleichungen, sie ist ein großer Rahmen, der viele Theorien und Modelle umfasst. Man kann nicht diesen Rahmen testen, sondern nur einzelne Theorien und Modelle.
Wie sieht es mit einer experimentellen Bestätigung aus?
Im Augenblick wird die Stringtheorie hauptsächlich aus sich selbst heraus weiter entwickelt. Das führt zu einem größeren Verständnis und hoffentlich auch zu testbaren Vorhersagen. Von der experimentellen Seite her richtet sich die große Hoffnung auf die Supersymmetrie. Sie ist ein zentraler Bestandteil der Stringtheorie und anderer Erklärungen von Phänomenen der Natur, etwa der Dunklen Materie. Die Supersymmetrie könnte sich bereits im Energiebereich des LHC bemerkbar machen. Wir leben in einer aufregenden Zeit, weil wir inzwischen die Instrumente haben, die es ermöglichen, Neues zu entdecken. Da liegen 20 Jahre Exploration vor uns, denn so lange soll der LHC mindestens laufen. Doch auch auf theoretischer Seite geht es voran. Die Stringtheorie enthält viel mehr Möglichkeiten als gedacht.
Gibt es überhaupt eine Möglichkeit, die Stringtheorie experimentell zu überprüfen?
Ich wünschte, ich wüsste das! In unserem Verständnis fehlt etwas Entscheidendes – ein theoretischer Durchbruch. Vielleicht gibt es ein grundlegendes Symmetrieprinzip, das wir noch nicht kennen. Oder die Lösung kommt durch Experimente. Der LHC bietet großartige Chancen. Wenn da etwas ist, werden es die Physiker wohl finden. Für die Dunkle Materie sprechen beispielsweise viele empirische und theoretische Hinweise. Und falls es sich dabei um neue, vielleicht supersymmetrische Elementarteilchen in einem bestimmten Energiebereich handelt, dann können sie nachgewiesen werden. Das ist schwierig, aber die Situation ist heute viel besser als vor zehn Jahren. Damals war noch nicht einmal sicher, ob das Geld für den LHC bewilligt würde. Einfacher wäre es, wenn man direkte Hinweise finden könnte. Wenn zum Beispiel das Higgs-Boson nicht entdeckt worden wäre oder wenn sich herausstellt, dass das gefundene Teilchen nicht das Higgs-Boson ist, sondern ein Partikel, das es nur vortäuscht, dann würde das dem Ansatz der Stringtheorie und auch dem gesamten Forschungsansatz zur Vereinigung der Naturkräfte einen heftigen Schlag versetzen. Dann müssten wir in ganz andere Richtungen denken. Aber die sehr eindrucksvollen Ergebnisse am CERN passen genau zu den Erkenntnissen der letzten 30 Jahre experimenteller Teilchenphysik. Diese hätten vielfach scheitern können, doch das geschah nicht. Daher bin ich optimistisch. Es ist gerade eine gute Zeit für junge Wissenschaftler. Diese Art von Grundlagenphysik birgt immer das Risiko zu scheitern. Denn die Fragen, die uns die Natur aufgibt, sind schwierig – auch deshalb ist Grundlagenphysik so attraktiv für viele intelligente Menschen. Die Natur gehorcht ihren eigenen Regeln. Daran können wir nichts ändern. Wir müssen damit leben, was die Natur für uns bereithält.
Wo liegen denn die Risiken?
Ein Problem besteht darin, dass man in der falschen Zeit leben könnte. Zum Beispiel hat vor 100 Jahren das Phänomen der Radioaktivität die Wissenschaftler extrem verwirrt – ähnlich wie heute etwas das Rätsel der Dunklen Energie im Universum. Man wusste damals schon viel über Radioaktivität, konnte sie aber nicht erklären – die Quantentheorie stand erst am Anfang. Da gab es diese Atomkerne und – puff! – sind sie zerfallen. Man konnte sie erhitzen oder unter Druck setzen – nichts änderte die Zerfallsrate. Der radioaktive Zerfall ist vollkommen zufällig. Niemand konnte das damals verstehen, es fehlten die theoretischen Grundlagen. Das änderte sich wenige Jahre später mit der Quantentheorie. Vielleicht ist es heute ähnlich. Man tappt allzu leicht in die Falle und glaubt, die theoretischen Instrumente wären bereits vorhanden. Theoretischen Physikern passiert so etwas immer wieder. Man kann auch das Pech haben, in einer Zeit zu leben, in der es einfach nicht ausreichend präzise oder leistungsfähige Experimente gibt. So war es Ende des 19. Jahrhunderts. Die Klassische Physik war exzellent in Form, doch die gesamte Quantenwelt noch völlig unerreichbar. Auch die Existenz von Atomen war sehr lange umstritten. Wir sollten optimistisch sein. Die Probleme sind groß, aber Optimisten halten länger durch. ■
Das Gespräch führte Rüdiger Vaas
