Das Higgs-Teilchen ist nur der erste Schritt auf dem langen Weg zu einer „Weltformel”. Als Nächstes wird es zu einem Massaker unter den Modellen der Forscher kommen.
Die Suche nach einer „Theory of Everything”, einer „Theorie von Allem”, klingt nicht gerade bescheiden. Und wer stattdessen „ Weltformel” sagt, der macht es nicht besser. Dabei geht der Wunsch danach mindestens bis zu den vorsokratischen Philosophen vor zweieinhalb Jahrtausenden zurück. Auch Albert Einstein hat viele Jahre seines späteren Lebens nach etwas Derartigem gesucht, „Einheitliche Feldtheorie” genannt. Mancher Physiker glaubte zuweilen, sie am Zipfel gepackt zu haben, beispielsweise Werner Heisenberg. John Ellis, Cheftheoretiker am Forschungszentrum CERN, prägte dann 1986 den Begriff „Theory of Everything” in einem Artikel in der Fachzeitschrift Nature: die Idee einer vereinheitlichten Theorie aller Kräfte, Teilchen und Felder sowie der Raumzeit.
Allerdings wurde die Theorie von Allem immer wieder Gegenstand heftiger Kontroversen, harter Kritik und beißender Polemik. Ist es nicht vermessen, alle fundamentalen Erscheinungen der Welt in ein einheitliches System von Gleichungen pressen zu wollen? Schon in den 1960er-Jahren hatte sich der polnische Science-Fiction-Autor Stanisław Lem darüber lustig gemacht und den Urgroßvater seines Raumfahrer-Charakters Ijon Tichy an genau so einer Theorie von Allem herumbasteln lassen.
Das tun Physiker – nicht literarisch, aber mindestens so fantasievoll – auch heute. Und durchaus ernsthaft. Die Stringtheorie ist der wohl aussichtsreichste Kandidat. Sie versteht alle Teilchen, Felder und Kräfte, vielleicht sogar die Raumzeit selbst, als Schwingungen eindimensionaler winziger Saiten, „Strings” genannt (bild der wissenschaft 4/2004, „Strings gegen Schleifen”). Auch das Higgs-Boson wäre demnach eine solche spezielle Anregungsform von Strings. Daher hoffen die Stringtheoretiker, dass ihnen der Large Hadron Collider (LHC) einen Weg weist in die Melodien des Mikrokosmos.
Jenseits des Standardmodells
Zwar ist noch nicht erwiesen, dass es sich bei dem am LHC neu entdeckten Teilchen wirklich um das lang gesuchte Higgs-Boson handelt. Doch die meisten Physiker zweifeln nicht daran. Stephen Hawking von der Cambridge University beispielsweise gab sogar bereits eine seiner berühmten Wetten verloren. Er hatte mit Gordon Kane, einem Theoretischen Physiker von der Michigan University, gegen die Higgs-Entdeckung gewettet, weil das die wissenschaftlich spannendere Alternative gewesen wäre.
Tatsächlich ist die Erfolgsgeschichte der Teilchenphysik seit den 1970er-Jahren ambivalent: Einerseits wurde das Standardmodell der Elementarteilchen Stück für Stück bestätigt und erhärtet. Mit der Entdeckung des Higgs-Teilchens als letztem Baustein wäre es jetzt komplett. Das ist ein großer Triumph für die Theorie. Andererseits kam seit mehr als drei Jahrzehnten keine überraschende Entdeckung mehr, die eine neue Region im Reich der kleinsten Teilchen erschlossen hätte. (Mit einer Ausnahme allerdings: dem Nachweis, dass Neutrinos eine winzige Masse besitzen, was im Standardmodell nicht vorgesehen war.) Insofern wäre es äußerst unerquicklich, würde der LHC das Higgs- Boson finden – und nichts anderes.
Zwar ist nicht anzunehmen, dass das Standardmodell das letzte Wort in der Teilchenphysik hat. Es lässt zu viele Fragen offen und zahlreiche Phänomene unerklärt – etwa die Werte der Teilchenmassen und anderer freier Parameter, das Verhältnis der Kräfte, die Zahl der Teilchenfamilien und vieles mehr.
„Das Standardmodell ist eine effektive Theorie, keine fundamentale. Ab einer bestimmten Energie muss daher etwas Neues kommen”, betont Sandra Kortner, die am Max-Planck-Institut für Physik in München das Higgs-Team bei ATLAS koordiniert. „Aber noch gibt es keinen direkten Hinweis auf eine solche neue Physik.”
Wenn die Wissenschaftler Pech haben, liegen die Antworten in einem Energiebereich verborgen, den der LHC niemals erreichen kann – und sein Nachfolger auch nicht, falls ein solcher überhaupt gebaut wird. Dann würde die Hochenergie-Teilchenphysik lange Zeit stagnieren, und allenfalls die Neutrino- und Astrophysik könnten noch einen Durchbruch zu einer neuen Physik jenseits des Standardmodells bringen.
Manchen Physikern wäre es daher lieber, wenn das neue Teilchen nicht das Higgs-Boson wäre – denn dann hätten sie auf jeden Fall etwas Neues gelernt. Diese Frage wird sich bald klären lassen. Bereits Mitte November soll die Analyse von doppelt so vielen LHC-Daten vorgestellt werden, wie bislang ausgewertet sind. Und ab 2015, wenn der LHC mit noch höherer Energie und Strahlenleistung läuft, sollten die Eigenschaften des neuen Teilchens genau genug bestimmt werden, um zu entscheiden: Higgs-Sein oder Nichtsein?
Anzeichen für eine neue Physik?
„Alle bisherigen Daten sind im Rahmen der statistischen Unsicherheiten mit dem Higgs-Teilchen des Standardmodells vereinbar”, sagt Sandra Kortner. „Aber es gibt auch Anzeichen für mögliche Abweichungen.” Wenn die sich erhärten, wird es hochinteressant. „Ich nehme das zwar nicht an, aber ich bin befangen”, lächelt die Physikerin. „Ich habe schon zu viele Jahre am Higgs-Nachweis gearbeitet.”
Die Abweichungen, die sowohl vom ATLAS- als auch vom CMS-Detektor gefunden wurden, betreffen die Higgs-Zerfälle in Photonen und Tauonen. Gemessen wurden etwa doppelt so viele energiereiche Photonen wie erwartet, aber nur ungefähr die Hälfte der Tauonen. Noch sind diese Anomalien nicht signifikant. Trotzdem spekulieren die Theoretiker bereits, was dies bedeuten könnte.
Das grosse Sterben
„In den nächsten paar Jahren wird es zu einem großen Massaker bei den Ideen kommen”, ist Joe Lykken vom Fermilab in Batavia überzeugt. Das betrifft sowohl die Konsequenzen des neu entdeckten Bosons als auch das, was der LHC in den nächsten Jahren noch finden wird – oder eben nicht. Und dies bedeutet in jedem Fall einen großen Fortschritt. Denn in den letzten Jahrzehnten hat sich geradezu ein Wildwuchs an Hypothesen und Modellen entwickelt, und mangels experimenteller Ergebnisse verselbstständigte sich die Theoriebildung immer mehr.
Auf Dauer ist das keine gute Situation. Doch dank des LHC wird sich bald einiges ändern: Die neuen Daten sind schon dabei, den Dschungel der Spekulationen gewaltig zu lichten. Dieses Massaker dürfte zunächst die Higgs-Alternativen treffen. Wenn das Higgs-Boson existiert, sind nämlich andere Vorschläge zur Erklärung der Teilchenmasse passé. Dazu gehört beispielsweise die Technicolor-Hypothese. Ihr zufolge übernehmen bislang unbekannte Partikel, die „Techniquarks”, die Higgs-Rolle und wechselwirken mit einer zusätzlichen Naturkraft, „Technicolor” genannt – in Erweiterung der Farbkräfte zwischen den Quarks, die der starken Kernkraft zugrunde liegen. Auch andere konkurrierende Modelle (mit sogenannten Preonen, top-Quark-Kondensaten, W- und Z-Kompositen und so weiter) sind erledigt, wenn das Standardmodell-Higgs existiert.
Es kann aber auch sein, dass das neue Boson kein Higgs-Teilchen ist, wie es das Standardmodell vorsieht – oder überhaupt kein Higgs. Vielleicht ist das Partikel nicht einmal elementar, sondern zusammengesetzt. Es könnte aus einzelnen Quarks bestehen, die von einer bislang unbekannten Kraft zusammengehalten werden. Vielleicht erklärt das auch die ominöse Dunkle Materie, die die Hauptmasse im All ausmacht (bild der wissenschaft 12/2011, „Das Weltreich der Finsternis”). Alex Pomarol von der Autonomen Universität in Barcelona spekulierte zum Beispiel, das Higgs sei ein gebundener Zustand eines top-Quarks und -Antiquarks.
Vorstoss in die Schattenwelt
Weil das Standardmodell nicht alle Daten der Elementarteilchenphysik erklären kann, aber eine bestätigte umfassendere Theorie noch fehlt, weiß niemand, wie es weitergeht. Es gibt eine Vielzahl von Modellen. Mit dem neuen Teilchen könnten Experimente erstmals das unbekannte Terrain sondieren.
Vielleicht ist es sogar ein Schlüssel zu einem Schattenreich. Physiker wie Gordon Kane gehen seit den 1970er-Jahren gedanklich darin spazieren, gesehen hat es aber noch niemand: das Revier der Supersymmetrie (SUSY). Diesem Theorierahmen zufolge gibt es zu jedem Teilchen im Standardmodell ein supersymmetrisches „ Spiegelteilchen”. Dies würde eine fundamentale Verwandtschaft zwischen den Partikeln für die Materie (Fermionen) und denen für die Wechselwirkungen (Bosonen) bedeuten.
SUSY ist zudem ein essenzieller Bestandteil von Theorien zur Vereinigung der Kräfte (siehe Grafik linke Seite „Die Kraft der Kräfte”). Die Supersymmetrie wird daher von vielen Physikern als eine wichtige Etappe auf dem Weg zur „Weltformel” betrachtet. Entsprechend eifrig suchen sie nach Wegmarken, um an dieses Ziel zu gelangen.
Stop und Stau
So könnte der am LHC vielleicht gemessene Zerfallsexzess des neuen Bosons in Photonen ein Hinweis auf SUSY sein. Dan Hooper und Matthew Buckley vom Fermilab haben vorgeschlagen, dass eine Higgs-Wechselwirkung mit einem Stop-Teilchen, dem SUSY-Partner des top-Quarks, die Higgs-Zerfallsrate ändert. Und Kai Wang von der Universität Hangzhou in China will den Photonen-Überschuss mit der Existenz eines Stau-Teilchens erklären, das der supersymmetrische Partner des Tauons ist.
Die Higgs-Masse schränkt die Vielfalt der Modelle ein. Sie liegt durchaus noch im Bereich von SUSY, was John Ellis, einer der SUSY-Pioniere und Cheftheoretiker am CERN, als gutes Indiz wertet. SUSY prognostiziert ihm zufolge eine Higgs-Masse unter 130 Gigaelektronenvolt – womit die gemessenen 125 in guten Einklang stehen. Andere Physiker sehen das allerdings weniger entspannt.
SUSY ist eine theoretische Welt für sich. In diesem Szenario werden neue Teilchen und physikalische Eigenschaften wie Kopplungsstärken und Zerfallsraten vorausgesagt. Niemand weiß, welches der vielen Modelle zu unserer Realität passt – wenn überhaupt.
Zunächst werden die einfachsten bevorzugt, weil sie weniger freie Parameter besitzen: das minimale supersymmetrische Modell (MSSM) und seine Verwandten. Besonders attraktiv sind die eingeschränkten („constrained”) Modelle (CMSSM), denn sie machen rigide Voraussagen, die sich bereits mit dem LHC überprüfen lassen.
Die Luft wird dünn
Und genau hier wird es kritisch. „Die Luft wird dünn für die eingeschränkte Supersymmetrie”, sagte CERN-Generaldirektor Rolf Heuer bereits im März im Kloster Irsee im beschaulichen Allgäu. Dort fand eine Konferenz des Excellenzclusters Universe statt, das an den Münchner Universitäten angesiedelt ist. „Im CMSSM-Rahmen haben wir die Grenze überschritten, Gluinos und Squarks bis zu einem Teraelektronenvolt und mehr auszuschließen”, kommentierte er ein komplexes Diagramm mit Messkurven und Datenpunkten.
Dass es für die Theoretiker immer enger wird, verdeutlicht Heuer schmunzelnd mit einem Bild aus einem Kinofilm (S. 54). Es zeigt einen Mann im Dschungel, dem sich von allen Seiten Raubsaurier nähern. „Diese stehen für den LHC und seine Daten – aber im Kino hat der Forscher überlebt”, scherzt Heuer. „Bislang gibt es in den Messungen keine Anzeichen für Supersymmetrie. Doch ein Entdeckungspotenzial ist vorhanden – auch schon bei den gegenwärtigen acht Teraelektronenvolt.”
In den letzten Wochen sind weitere Ergebnisse zur SUSY-Suche veröffentlicht worden, die die Grenzen noch mehr eingeschränkt haben. Dass der LHC noch keine SUSY-Indizien gefunden hat, frustriert viele Forscher. Zuweilen wurde SUSY in populärwissenschaftlichen Medien schon totgesagt. Doch Totgesagte leben länger. SUSY selbst ist wohlauf. Nur die CMSSM- Modelle schwächeln inzwischen.
Auf die Frage, wie optimistisch er sei, dass man bald etwas finden wird, antwortete Heuer: „Ich bin sehr zuversichtlich, weil bisher nur die eingeschränkten Modelle Probleme haben, und weil das Ganze ja auch eine Frage der Datenmenge ist, nicht nur der Energie. Wenn zum Beispiel die Kopplungen sehr schwach sind, dann braucht man einfach mehr Daten, um überhaupt etwas zu sehen. Da ist noch vieles möglich, allerdings wohl erst nach meiner Amtszeit. Doch es geht nach der Natur und nicht nach der Amtszeit des Generaldirektors.”
Das Ende ist nah!
John Ellis hegt noch höhere Erwartungen. Schon aus theoretischen Gründen müsse SUSY fast in Sichtweite sein. „Es muss eine neue Physik jenseits des Standardmodells geben”, ist Ellis überzeugt. Das hat auch mit dem Higgs-Teilchen zu tun. Denn in vielen Massebereichen, dem nun favorisierten eingeschlossen, drohen grundlegende theoretische Schwierigkeiten: So könnte das Potenzial des Higgs-Felds kollabieren oder ins Unermessliche wachsen. Dann würde das Universum über kurz oder lang seine Eigenschaften völlig ändern, weil das Vakuum instabil wäre oder die Naturkräfte verrückt spielten. Aber selbst wenn das nicht der Fall wäre, könnte das Higgs-Teilchen wohl nicht die ganze Arbeit erledigen, die ihm die Theoretiker zugewiesen haben.
„Das Ende der Welt ist nah!”, verkündete Ellis daher grinsend im Kloster Irsee und zeigte ein Plakat von religiösen Weltuntergangsverkündern. Wäre das vom Higgs-Teilchen mitbestimmte Vakuum instabil, könnte die Apokalypse in jeder Minute über uns hereinbrechen – und das ganze All vernichten. Allerdings modifizierte Ellis das Plakat: „Das Ende des Standardmodells ist nah!”
Er meint damit: Eine neue Physik muss es erweitern. Dann wäre auch der Weltuntergang abgewendet – zumindest dessen theoretische Möglichkeit. Die Supersymmetrie könnte das Higgs-Potenzial stabilisieren, zum Beispiel mithilfe eines zusätzlichen Teilchens, des stop-Quarks. Doch dann wären allerhand mathematische Feinjustierungen erforderlich und auch eine neue Kopplung.
Nicht ein Higgs, sondern fünf
Supersymmetrie macht die Higgs-Suche noch komplizierter: Dem SUSY-Ansatz zufolge ist das Higgs-Teilchen nicht einzigartig. Bereits im MSSM gibt es fünf verschiedene Higgs-Partikel: Zwei neutrale mit sehr unterschiedlichen Massen, je ein elektrisch positiv und negativ geladenes und eines, das kein echtes Skalar ist, sondern ein Pseudoskalar, weil es zwar den Spin Null besitzt, aber mit seinem „Spiegelbild” nicht identisch ist.
Ein Higgs-Boson mit 125 Gigaelektronenvolt ist gerade noch vereinbar mit dem CMSSM. Jenseits davon, im riesigen Parameterraum von SUSY, ist hingegen noch viel Platz, wie Farvah Mahmoudi vom CERN betont. Trotzdem sind die SUSY-Liebhaber nicht mehr so enthusiastisch. Noch ist SUSY allgegenwärtig auf Konferenzen wie der 36th International Conference on High Energy Physics in Melbourne letzten Juli. „Aber die große Zahl der SUSY-Präsentationen war umgekehrt proportional zur Zahl der Hinweise darauf”, kommentierte ein Teilnehmer.
Für viele Modelle wird es eng
In den letzten Wochen sind weitere Ergebnisse zur SUSY-Suche veröffentlicht worden, die die Grenzen noch stärker eingeschränkt haben. „Aber es gibt noch Spielraum”, sagt Sandra Kortner. Sie hofft, dass der LHC Anzeichen für ein stop-Teilchen findet. Dieser SUSY-Partner des top-Quarks sollte mit bis zu 500 Gigaelektronenvolt Masse laut manchen Modellen im gegenwärtigen Zugangsbereich des LHC liegen und leichter als die anderen Squarks sein. Das top-Quark ist dagegen das schwerste Quark. „Wir werden bald mehr wissen – und wenn nicht, wird es noch enger für SUSY”, meint Kortner.
Alle diese Suchaktionen sind sehr stark von den Modellvorstellungen getrieben. Unerwartetes zu finden, ist noch wesentlich aufwendiger. „Man muss alle Teilchenzerfälle verstehen und sich auf die Voraussagen verlassen. Modellunabhängige Entdeckungen sind eine Größenordnung schwieriger”, sagt Sandra Kortner. „Deswegen bin ich auch nicht überrascht, dass bislang keine Anzeichen einer neuen Physik gefunden wurden. Wir haben einfach noch nicht genug Daten für die Entdeckung von etwas völlig Neuem.”
„Die MSSM-Feinabstimmung erscheint immer besser, aber für allgemeine Schlussfolgerungen ist es vor den LHC-Messungen mit 14 Teraelektronenvolt noch zu früh”, verkündete Ignatios Antoniadis vom CERN einige Wochen später auf der hochkarätigen Strings2012-Konferenz an der Ludwig-Maximilians-Universität München. Dort schlug er einen weiten Bogen vom aktuellen Forschungsstand bis zu den kühnsten Spekulationen der Stringtheorie.
„Es ist äußerst wichtig, die Kopplung des Higgs mit anderen Teilchen zu messen”, sagte Antoniadis. „Jede Abweichung der Wechselwirkungen mit dem top- und bottom-Quark sowie den W- und Z-Bosonen von den Voraussagen des Standardmodells würde eine Veränderung der elektroschwachen Symmetriebrechung bedeuten.” Die Verwandtschaft von elektromagnetischer und schwacher Kraft wäre demnach anders als bislang gedacht, und neue Teilchen oder Effekte würden auftauchen. „Das wäre ein Indiz für eine neue Physik jenseits des Standardmodells”, betonte Antoniadis, „und vielleicht sogar der Grund für die unterschiedlichen Teilchenmassen.” ■
von Rüdiger Vaas
Unsere Welt und ihr Schatten: SUSYs Partikel-Panorama
Wenn die Theorie der Supersymmetrie (SUSY) stimmt, existieren noch viel mehr Elementarteilchen als im Standardmodell der Materie. Das leichteste davon wäre stabil, könnte die ominöse Dunkle Materie im All sein und vielleicht schon bald im LHC erzeugt und entdeckt werden. SUSY zufolge haben Fermionen und Bosonen mit ihren halbzahligen beziehungsweise ganzzahligen Spins („Eigendrehimpulsen”) supersymmetrische Partner-Teilchen mit umgekehrten Spins: Sfermionen mit ganzzahligem und Bosinos mit halbzahligem Spin. Im Minimalen Supersymmetrischen Modell (MSSM) existieren zwölf zusätzliche Squarks („rechts- und linkshändige”) und zwölf Antiquarks sowie neun Sleptonen und deren neun Antiteilchen. Es gibt nicht ein Higgs-Boson wie im Standardmodell, sondern fünf: drei neutrale, die ihr eigenes Antiteilchen sind, und je ein elektrisch positives und negatives Higgs mit derselben Masse. Außerdem noch vier Higgsinos sowie die SUSY-Partner der Eichbosonen: ein Gluino, ein Photino, ein Zino und zwei Winos. Allerdings ist die Supersymmetrie in unserem Universum gebrochen. Das führt dazu, dass Photinos, Winos, Zinos und Higgsinos nicht getrennt vorkommen, sondern als gemischte Zustände in Form von vier verschiedenen Neutralinos sowie je zwei geladenen Charginos und Anticharginos. Zieht man eine MSSM-Bilanz, gibt es insgesamt nicht 17 Partikel verschiedener Masse wie im Standardmodell, sondern 32. Zählt man die Antiteilchen dazu, sind es nicht 30, sondern 56. In nichtminimalen SUSY-Modellen existieren sogar noch mehr Partikel, etwa ein zusätzliches Neutralino und Higgs oder weitere Quarks und Squarks.
Die Kraft der Kräfte
Im Standardmodell der Elementarteilchen werden drei fundamentale Wechselwirkungen beschrieben. Das geschieht mithilfe mathematischer Symmetriegruppen: U(1), SU(2) und SU(3). Die Kräfte – genauer: ihre Kopplungsstärken – nähern sich bei hohen Energien einander an. Dann sollen sie von einer Großen Vereinheitlichten Theorie (Grand Unified Theory, GUT) als eine einzige Superkraft charakterisiert werden. Die Kopplungsstärken der drei Wechselwirkungen treffen sich aber nur dann in einem Punkt, wenn das Standardmodell durch die Theorie der Supersymmetrie zwischen Materie und Kräften erweitert wird. Dies macht sich wohl ab etwa 1000 Gigaelektronenvolt bemerkbar (daher der „Knick” links in den roten Kurven). Die theoretische Vereinheitlichung der elektromagnetischen und schwachen Kraft zu einer elektroschwachen Kraft, durch Messungen bestätigt, wurde in der Grafik berücksichtigt. Ab etwa 200 Gigaelektronenvolt muss allerdings extrapoliert werden.
Kompakt
· Die mutmaßliche Entdeckung des Higgs-Teilchens könnte das Tor zu einer neuen Physik öffnen – oder das zur alten zuschlagen.
· Physiker suchen mit dem LHC nach einem supersymmetrischen Schattenreich und einer „Theorie von Allem”.
Mehr zum Thema
LESEN
Don Lincoln DIE WELTMASCHINE Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011, € 24,95
Dieter B. Hermann DER URKNALL IM LABOR Springer, Berlin 2010, € 24,95
Frank Close THE INFINITY PUZZLE Oxford University Press, 2011 € 16,95
Jim Baggott HIGGS Oxford University Press, 2012, € 15,95
Internet
Die Entdeckung des Higgs-Teilchens: www.atlas.ch/news/2012/latest-results-from-higgs-search.html cms.web.cern.ch/news/observation- new-particle-mass-125-gev
Der aktuelle Status des LHC: lpc.web.cern.ch/lpc
