Tohu und Wabohu

Man muß die Ohren nicht besonders spitzen, um das Rumoren zu vernehmen, das derzeit von den Zentren der Elementarteilchenphysik ausgeht. Mal registriert ein Detektor nach einer Teilchenkollision mehr Bruchstücke als er sollte, ein anderes Mal scheint die Energiebilanz bei einem Stoß nicht aufzugehen – oder aber es häufen sich Zerfälle, die der Theorie nach äußerst selten sein sollten. Für die einen ist dieses Rumoren nichts weiter als das belanglose Rauschen irgendwelcher Meßinstrumente, dem man nicht allzu viel Beachtung schenken sollte. Andere hingegen sehen darin erste Anzeichen für jene “neue Physik”, auf die die Teilchenphysiker seit Jahren sehnsüchtig warten. Denn das Verhältnis der Physiker zu ihrem Standardmodell ist zwiespältig: Sie schätzen es zwar wegen seiner Zuverlässigkeit, doch mit ganzem Herzen sind sie ihm nicht zugetan. Was man heute fast geringschätzig als Standardmodell bezeichnet, ist der Extrakt von 30 Jahren Forschung – eine Zeit voller aufregender Entdeckungen, herber Rückschläge und unvorhergesehener Wendungen. “Erst durch eine Fülle von Experimenten ist das Standardmodell zu dem soliden Gebilde geworden, wie wir es heute kennen”, betont Prof. Albrecht Wagner, Forschungsdirektor am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg.
Um so mehr stellt sich die Frage: Was ist der Grund für die Unzufriedenheit vieler Teilchenphysiker mit ihrem eigenen Weltbild, warum die unablässige Suche nach dem Haar in der Suppe? “Das Standardmodell kann nicht der Weisheit letzter Schluß sein. Es läßt zu viele Fragen offen”, bemängelt Albrecht Wagner. Gerne wüßten die Wissenschaftler:
– Warum umfaßt die Theorie gerade 12 Materie-Teilchen und nicht mehr?
– In das Standardmodell gehen 18 freie Parameter ein, die experimentell bestimmt werden müssen. Dazu gehören auch die Massen der Teilchen. Das Standardmodell kann zum Beispiel nicht erklären, warum das Top-Quark so viel schwerer ist als die anderen Quarks.
– Warum sind die Kraft-Teilchen so überaus schwer im Vergleich zu den Mitgliedern der ersten und zweiten Familie?
– Wie kommt es, daß die Ladung eines Quarks gerade minus 1/3 oder plus 2/3 der Elementarladung beträgt?
– Im Standardmodell sind nur elektromagnetische und schwache Kraft vereinigt – nur sie lassen sich mathematisch aus einer gemeinsamen Kraft ableiten. Wie lassen sich die beiden Kräfte mit der starken Kraft unter einen Hut bringen?

Angesichts der vielen Fragezeichen sind die Physiker überzeugt, daß das Standardmodell einer umfassenderen Theorie weichen wird – genauso, wie die Newtonsche Mechanik einst in der Relativitätstheorie Einsteins aufgegangen ist. Doch wo das Alte endet und das Neue beginnt, läßt sich bislang nur erahnen. Nach Berechnungen der Theoretiker bricht das Standardmodell auf jeden Fall bei einer Energie von 10 hoch19 Gigaelektronenvolt – der sogenannten Planck-Masse – zusammen. Dann kommt unweigerlich die Gravitation ins Spiel.

Wie kommen Teilchen zu ihrer Masse? Eine Frage, die dieser Cartoon anschaulich beantwortet: Bei einem Empfang stehen viele Gäste (das Higgs-Feld) gelangweilt herum. Plötzlich betritt eine bekannte Persönlichkeit (das Teilchen) den Raum. Sofort scharen sich alle Anwesenden um den Prominenten und behindern ihn beim Vorankommen und verleihen ihm träge Masse.

Doch diese Barriere wird für immer unerreichbar sein. Um Teilchen auf so enorme Energien zu katapultieren, müßte ein Beschleuniger einen Umfang von etwa 1000 Lichtjahren haben. Zum Vergleich: Der am CERN geplante Large Hadron Collider (LHC) hat einen Umfang von 27 Kilometer und erreicht nur eine Energie von rund 10 hoch 4 Gigaelektronenvolt. Doch vieles deutet darauf hin, daß das Standardmodell schon bei viel niedrigeren Energien eine Metamorphose durchmacht. Wie sich diese Wandlung vollziehen wird, ist noch unklar. Eine der derzeit diskutierten Möglichkeiten wäre das Higgs-Teilchen: Für dieses Teilchen, das auf einer Idee des schottischen Physikers Peter Higgs basiert, gilt ähnlich wie für das Top-Quark: Die eigentliche Sensation bestünde darin, es nicht zu entdecken. Immerhin erfüllt es im Standardmodell die wichtige Funktion, Quarks, Leptonen und einige Kraft-Teilchen mit Masse “einzukleiden”.
Solche Gedankenspielereien gewannen Anfang des Jahres unvermittelt an Aktualität. Forscher vom Fermilab hatten bei der Auswertung von Stößen zwischen Protonen und Antiprotonen leichte Abweichungen von den Vorhersagen des Standardmodells festgestellt. Dieses bis heute unbestätigte Resultat löste wilde Spekulationen aus. In Betracht gezogen wurde auch eine zwar kleine, aber meßbare Ausdehnung der bislang als punktförmig geltenden Quarks. Mittlerweile haben sich die Wogen etwas geglättet. Die innere Struktur der Quarks ist zwar nicht vom Tisch, favorisiert wird aber eine andere Erklärung: Vermutlich hat man die Verteilung der virtuellen Gluonen im Proton noch nicht richtig im Griff (“Aufruhr im Teilchenzoo”, bild der wissenschaft 7/1996).

Die Wissenschaftler wären durchaus bereit, noch mehr Teilchen zu akzeptieren, wenn diese nicht aus heiterem Himmel fielen. Die Hoffnung der Physiker ruht auf der “Supersymmetrie”, kurz “SUSY”. Diese Symmetrie stellt einen Zusammenhang zwischen Materie – und Kraftteilchen her. Jedem Lepton und jedem Quark wird ein Partner (s-Lepton, s-Quark) zugeordnet, der Eigenschaften eines Kraftteilchens besitzt. Umgekehrt wird jedes Kraft-Teilchen des Standardmodells mit einem materieartigen Teilchen (Photino, Gluoino, Zino, Wino) gepaart. Diese Erweiterung des Standardmodells bringt Theorie und bisherige Experimente in Einklang – allerdings nur, wenn die supersymmetrischen Teilchen leichter als etwa 1000 Gigaelektronenvolt sind. Wenn die Theorie stimmt, müßten die Teilchen spätestens im LHC zu sehen sein. Das läßt die Entdeckerherzen höher schlagen. “Wenn Sie heute Wetten abschließen würden: Die meisten Leute würden ihr Geld auf SUSY setzen”, ist Albrecht Wagner überzeugt.