Physiker sehen
sich mit ihrem "Albtraum-Szenario" konfrontiert: Was wäre, wenn sich
wirklich keine neuen Teilchen mehr finden lassen? Ein Bericht von der Suche
nach einem Plan B.
Am Large Hadron
Collider (LHC) bei Genf, dem größten Teilchenbeschleuniger der Welt, haben
Physiker die Eigenschaften der Natur bei höheren Energien als je zuvor
untersucht. Sie haben
dabei etwas Entscheidendes gefunden – nämlich nichts Neues. Und das ist
vielleicht das einzige Ergebnis, mit dem vor 30 Jahren, als erste Pläne
für den LHC geschmiedet wurden, niemand gerechnet hat.
Die berühmt-berüchtigte
"Diphoton-Delle", die sich im Dezember 2015 in den
Daten zeigte, ist wieder verschwunden. Es war nur eine vorübergehende, zufällige
Schwankung in den Daten und kein revolutionäres neues Teilchen. Tatsächlich
haben die Kollisionen in der gewaltigen Anlage bislang kein einziges Teilchen
hervorgebracht, das nicht bereits im seit Langem herrschenden, gleichwohl
unvollständigen Standardmodell
der Teilchenphysik erfasst ist. In den Trümmern der Zusammenstöße fanden die Physiker weder
Teilchen der Dunklen Materie noch Geschwister des Higgs-Bosons. Sie fanden keine Hinweise auf
zusätzliche Dimensionen und keine Leptoquarks. Und sie fanden keines der
verzweifelt gesuchten supersymmetrischen Teilchen, die nötig scheinen, um die
Gleichungen der Teilchenforscher abzurunden und ihre "Natürlichkeit"
zu erfüllen. Dieses Prinzip sollten nach Ansicht der Forscher alle Naturgesetze
erfüllen: Dimensionslose Verhältnisse zwischen den Parametern und Konstanten einer
Theorie müssen vernünftige Werte annehmen und können nicht beliebig klein oder
groß sein.
"Es ist
verblüffend, dass wir 30 Jahre lang über diese Dinge nachgedacht und doch
keine einzige Voraussage gemacht haben, die tatsächlich bestätigt wurde",
sagt Nima Arkani-Hamed, Professor für Physik am Institute for Advanced Studies
im US-Universitätsstädtchen Princeton. Auf der internationalen Fachtagung über
Hochenergiephysik ICHEP Anfang August 2016 in Chicago präsentierten die Teams
der LHC-Experimente ATLAS und CMS ihre jüngsten Ergebnisse. Diese beiden
gewaltigen Detektoren sind auf den Positionen 6 und 12 Uhr am knapp
27 Kilometer langen Ring des LHC platziert. Die beiden jeweils über
3000 Mitglieder zählenden Teams haben drei Monate lang fieberhaft eine Fülle
von Daten analysiert, produziert von dem Beschleuniger, der nach einem Upgrade
auf die doppelte Energie endlich mit voller Kraft arbeitet. In dem Ring stoßen
Protonen mit einer Energie von 13 Teraelektronvolt (TeV) zusammen:
13 Billiarden Elektronvolt. Das ist mehr als das 13 000-Fache der
Masse eines Protons. Genug
Rohmaterial, um selbst extrem massereiche Elementarteilchen zu erzeugen. Wenn
es sie denn gibt.
Diphoton-Katerstimmung unter Teilchenphysikern
Bislang hat
sich kein solches Teilchen gezeigt. Besonders enttäuschend für die Forscher war
das Verschwinden der Diphoton-Delle. Dieser Überschuss an Photonenpaaren zeigte
sich im Jahr 2015 in den ersten 13-TeV-Daten. In mehr als
500 Veröffentlichungen suchten theoretische Physiker nach einer Erklärung
für die Delle. Im Juni 2016 dann verbreiteten sich erste Gerüchte, die
Diphoton-Delle sei verschwunden. Das
führte zu einer "Diphoton-Katerstimmung" unter Teilchenphysikern.
"Die Delle
hätte auf eine aufregende Zukunft für Teilchenexperimente hingewiesen",
sagt Raman Sundrum, theoretischer Physiker an der University of Maryland in den
USA. "Ihr Verschwinden wirft uns dahin zurück, wo wir vorher waren."
"Es ist
verblüffend, dass wir 30 Jahre lang über diese Dinge nachgedacht und doch
keine einzige Voraussage gemacht haben, die tatsächlich bestätigt wurde"
Nima Arkani-Hamed
Nima Arkani-Hamed
Das Fehlen
jeglicher Anzeichen für eine neue Physik verschärft eine Krise, die
bereits 2012 mit der ersten Versuchsreihe am LHC begann. Denn die damaligen Kollisionen mit
einer Energie von acht TeV reichten nicht aus, um irgendetwas Neues
jenseits des Standardmodells zu zeigen. Das in jenem Jahr entdeckte Higgs-Boson
war lediglich das letzte fehlende Teilchen des Standardmodells, aber kein
Hinweis auf neue Physik. Zwar kann sich in diesem oder im kommenden Jahr immer
noch ein Teilchen zeigen, das nicht in das Standardmodell hineinpasst. Oder der
mit der Zeit wachsende Datenberg enthüllt kleine Überraschungen im Verhalten
bereits bekannter Teilchen, die indirekt auf neue Physik hinweisen. Aber die
Theoretiker finden sich zusehends mit dem "Albtraum-Szenario" ab, in
dem der LHC keinerlei Hinweise auf eine vollständigere Theorie der Natur
liefert.
Die Zeit sei
reif, so sagen einige Theoretiker, von einem Null-Ergebnis auszugehen. Die
Abwesenheit neuer Teilchen bedeute mit ziemlicher Sicherheit, dass die Gesetze
der Physik nicht auf jene Weise "natürlich" sind, die die Physiker
bislang vorausgesetzt haben. "Die Annahme der Natürlichkeit ist wohlbegründet.
Ihre tatsächliche Abwesenheit ist eine große Entdeckung", erklärt Sundrum.
Einer der
Hauptgründe für Physiker, das Standardmodell als unvollständig anzusehen, ist
die extrem unnatürlich erscheinende Masse des Higgs-Bosons. In den Gleichungen
des Standardmodells ist dieses Teilchen mit vielen anderen verknüpft. Diese
Kopplung sorgt dafür, dass sie eine Ruhemasse besitzen. Gleichzeitig
beeinflussen sie die Masse des Higgs-Bosons nach oben und nach unten. Einige
der Beiträge sind dabei sehr hoch – hypothetische, der Gravitation
zugeordnete Teilchen können bis zu zehn Billiarden TeV zur Higgs-Masse
beitragen. Und doch beträgt die Masse des Higgs-Bosons lediglich
0,125 TeV. Scheinbar heben sich die unterschiedlichen Beiträge der vielen
Teilchen gegenseitig fast auf. Das erscheint absurd. Es sei denn, es gäbe eine
plausible Erklärung für einen solchen Ausgleich.
Anfang der 1980er Jahre
erkannten Theoretiker, dass Supersymmetrie eine solche Erklärung liefern
könnte. In dieser Theorie gibt es zu jedem Fermion – Elementarteilchen der
Materie wie Elektronen oder Quarks –, das die Masse des Higgs-Teilchens
erhöht, ein supersymmetrisches Boson, also ein Überträgerteilchen einer
Wechselwirkung, das die Higgs-Masse verringert. Auf diese Weise hat jeder
Teilnehmer am Tauziehen um die Higgs-Masse einen Gegner gleicher Stärke, und
dadurch wird das Higgs-Boson auf natürliche Weise stabilisiert. Zwar haben sich
Theoretiker auch noch andere Möglichkeiten überlegt, um die
"Natürlichkeit" zu erreichen, aber die Supersymmetrie bietet zwei
zusätzliche Vorteile. Sie lässt die Stärke der drei quantisierten Wechselwirkungen
bei hohen Energien konvergieren, die also am Anfang des Kosmos zu einer
einzigen Wechselwirkung vereinigt wären. Und sie liefert ein schwach
wechselwirkendes, stabiles Teilchen mit genau der richtigen Masse zur Erklärung
der Dunklen Materie.
Fehlende Teilchen und fehlende Masse
"Wir
hatten alles ausgeknobelt", sagt Maria Spiropulu, Teilchenphysikerin am
California Institute of Technology. "Meiner Generation wurde geradezu
beigebracht, es gebe Supersymmetrie, auch wenn wir sie noch nicht entdeckt
hatten. Wir glaubten daran." Daher die große Überraschung der Forscher,
als sich keine supersymmetrischen Partner der bekannten Teilchen zeigten. Nicht am Large
Electron-Positron Collider in den 1990er Jahren, nicht am Tevatron in den
1990er und den frühen 2000er Jahren und auch nicht am LHC. Die Beschleuniger suchten bei immer
höheren Energien, und damit vergrößerte sich die Kluft zwischen den bekannten
Teilchen und ihren hypothetischen Superpartnern: Sie mussten, um der Entdeckung
zu entgehen, immer schwerer sein. Irgendwann könnte die Supersymmetrie so stark
"gebrochen" sein, dass der Einfluss der Teilchen und der ihrer
Superpartner auf das Higgs-Boson sich nicht länger ausgleichen. Damit bietet
die Supersymmetrie keine Lösung mehr für das Problem der
"Natürlichkeit". Einige Experten behaupten, dieser Punkt sei bereits
überschritten. Andere, die ein wenig mehr Spielraum für das Arrangement
bestimmter Faktoren der Theorie sehen, meinen, dieser Punkt sei gerade jetzt
erreicht, da ATLAS und CMS das Stop-Quark – den supersymmetrischen Partner
des 0,173-TeV-Top-Quarks – bei Massen bis zu einem TeV ausschließen. Das
liefert bereits einen Faktor von fast sechs zwischen Stop- und Top-Quark.
Selbst wenn es ein Stop-Quark mit mehr als einem TeV gäbe: Es würde das
Higgs-Teilchen zu stark beeinflussen und somit das Problem, für das die
Supersymmetrie einst erfunden wurde, nicht mehr lösen.
"Ich
denke, ein TeV ist eine psychologische Grenze", sagt Albert de Roeck,
leitender Teilchenforscher am CERN und Professor an der Universität Antwerpen
in Belgien. Einige Physiker sagen, genug sei genug; andere sehen immer noch
Schlupflöcher. Unter den Myriaden möglicher supersymmetrischer Erweiterungen
des Standardmodells gibt es komplizierte Versionen, in denen ein Stop-Quark mit
mehr als einem TeV geradezu konspirativ mit einem anderen supersymmetrischen
Teilchen zusammenwirkt, um das Top-Quark auszugleichen und so zu einer
"natürlichen" Higgs-Masse zu führen. Es gibt so viele Varianten der
Theorie, so viele individuelle Modelle, dass es nahezu unmöglich ist, die
Supersymmetrie vollständig aus dem Rennen zu werfen. "Wenn man etwas
sieht, kann man modellunabhängige Aussagen darüber machen", sagt Joe Incandela,
Physiker an der University of California in Santa Barbara. "Wenn man
nichts sieht, ist es etwas komplizierter." Incandela
verkündete 2012 im Namen des CMS-Teams die Entdeckung des Higgs-Teilchens. Jetzt leitet er eine der Suchen nach
dem Stop-Quark.
Teilchen als Meister im Versteckspiel?
Neue Teilchen
könnten sich auf unerwartete Weise verbergen. Hätten beispielsweise das
Stop-Quark und das leichteste Neutralino – ein supersymmetrischer Kandidat
für die Dunkle Materie – etwa die gleiche Masse, so könnten sie bislang
jeder Entdeckung entgangen sein. Denn wenn bei einer Teilchenkollision ein
Stop-Quark entsteht und unter Aussendung eines Neutralinos wieder vergeht, bleibt
für dieses nur wenig Bewegungsenergie übrig. "Wenn das Stop-Quark
zerfällt, sitzt das Dunkle-Materie-Teilchen einfach da", erklärt Kyle
Cranmer von der New York University, der zum ATLAS-Team gehört. "Man sieht
es einfach nicht. In solchen Bereichen ist die Suche sehr schwierig." Auf
diese Weise könnte in den Daten immer noch ein Stop-Quark mit einer Masse bis
hinunter zu 0,6 TeV verborgen sein. Die Experimentalphysiker wollen diese
Lücken in den kommenden Jahren schließen und so etwaige dort versteckte
Teilchen entdecken. Währenddessen finden sich die Theoretiker bereits damit ab,
dass sie von der Natur keinerlei Hinweise darauf bekommen, in welche Richtung
sie weiter forschen sollen. "Es ist eine höchst verwirrende und unsichere
Situation", so Arkani-Hamed.
Viele
Teilchenphysiker ziehen inzwischen eine seit Langem im Hintergrund drohende
Möglichkeit in Betracht: Vielleicht ist die Masse des Higgs-Bosons einfach
nicht "natürlich". Der kleine Wert könnte auf einer reinen Koinzidenz
im Tauziehen der Massen beruhen – und wir beobachten diesen sonderbaren
Wert, weil unser Leben davon abhängt. In diesem Szenario existieren viele
Universen mit ganz unterschiedlichen Kombinationen von Teilchenmassen. Doch nur
in Universen mit einem leichten Higgs-Boson können Atome entstehen und so
schließlich auch Lebewesen. Allerdings stößt dieses "anthropische
Argument" nicht bei allen Forschern auf Begeisterung, denn es lässt sich
nicht experimentell überprüfen.
"Meiner
Generation wurde geradezu beigebracht, dass es Supersymmetrie gibt, auch wenn
wir sie noch nicht entdeckt hatten. Wir glaubten daran"
Maria Spiropulu
Maria Spiropulu
In den
vergangenen zwei Jahren haben theoretische Physiker damit begonnen, völlig neue
Erklärungen für die Higgs-Masse zu entwickeln. Diese vermeiden den Fatalismus
des anthropischen Arguments und hängen nicht von der Entdeckung neuer Teilchen
am LHC ab. Anfang August 2016 diskutierten Theoretiker bei einer Arbeitstagung
am CERN solche neuen Ideen und Möglichkeiten, diese zu testen. Ein Beispiel ist
die "Relaxations-Hypothese", bei der nicht eine
Symmetrie über die Higgs-Masse entscheidet, sondern bei der sich ihr Wert
dynamisch während der Geburtsphase des Kosmos ergibt. "Jetzt, wo alle den
Diphoton-Kater überwunden haben, kehren wir zu jenen Fragen zurück, mit denen
wir versuchen können, die Abwesenheit neuer Physik am LHC zu überwinden",
sagt Nathaniel Craig von der University of California in Santa Barbara.
Nima Arakani-Hamed hat gemeinsam mit
Kollegen einen als "Nnatürlichkeit" (von "neutral
naturalness") bezeichneten Ansatz entwickelt. "Viele Theoretiker, und ich
gehöre auch dazu, haben das Gefühl, eine einzigartige Zeit zu erleben. Die
Fragen, die auf dem Tisch liegen, sind gewaltig: strukturelle Fragen, die nicht
einfach nur die Details des nächsten Teilchens betreffen. Wir haben Glück, in
einer solchen Zeit zu leben, auch wenn es vielleicht in unserer Lebensspanne
keinen großen, bestätigten Fortschritt gibt." Während die Theoretiker also
zu den großen Fragen zurückkehren, sind die 6000 Experimentalphysiker von
CMS und ATLAS emsig mit der Erkundung bislang unbekannter Regionen beschäftigt.
"Albtraum – was soll das heißen?", hinterfragt Spiropulu das
Angstszenario der Theoretiker. "Wir erforschen die Natur. Vielleicht fehlt
uns die Zeit, über solche Albträume nachzudenken, weil wir geradezu in Daten
ertrinken und extrem begeistert davon sind."
Es gibt immer
noch Hoffnung, in diesen Daten auf neue Physik zu stoßen. Doch nichts zu
finden, ist nach Spiropulus Ansicht ebenfalls eine Entdeckung; insbesondere,
wenn es das Ende bislang hoch geschätzter Ideen einläutet.
"Experimentalphysiker haben keine Religion", so die Forscherin mit
Blick auf den ursprünglich festen Glauben der Theoretiker an die
Supersymmetrie. Einige Theoretiker stimmen ihr zu. Das Gerede über eine
Enttäuschung sei "dummes Geschwätz", so Arkani-Hamed. "Die Natur
ist einfach so! Wir erhalten Antworten! Diese 6000 Leute reißen sich den
Arsch auf – und ihr schmollt wie ein kleines Kind, weil ihr nicht den
Lutscher bekommt, den ihr haben wollt?"
Von
"Spektrum der Wissenschaft" übersetzte und redigierte Fassung des
Artikels "What
No New Particles Means for Physics" aus "Quanta Magazine",
einem inhaltlich unabhängigen Magazin der Simons Foundation, die sich die
Verbreitung von Forschungsergebnissen aus Mathematik und den
Naturwissenschaften zum Ziel gesetzt hat.
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