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Vier Kräfte und ein Puzzleteil

20.06.2012
- Das Standardmodell der Teilchenphysik auf dem Prüfstand
- Das Higgs-Boson als zentrales Teilchen im theoretischen Puzzle
- 27 Nobelpreisträger vermitteln Perspektiven einer neuen Physik
- Podiumsdiskussion mit Live-Schaltung zum CERN während der Tagung

Teilchenphysiker fügen die elementaren Bausteine und Kraftfelder unserer Welt in einem eleganten Modell zusammen. Dessen theoretische Architektur und experimentelle Absicherung wurde mit vielen Nobelpreisen belohnt. Dieses Standardmodell lässt aber viele Fragen offen:

Physiker konnten bislang nicht zeigen, wie die Teilchen zu ihrer Masse kommen. Sie wissen nicht, wie sie die Schwerkraft in ihre Konstruktion einbeziehen sollen. Offenbar erklärt ihr Modell zudem nur vier Prozent unseres Universums. Der Rest besteht aus rätselhafter Dunkler Materie und Energie. Die Diskussionen darüber werden deshalb bei der 62. Lindauer Nobelpreisträgertagung, die der Physik gewidmet ist, breiten Raum einnehmen. 27 Nobelpreisträger und über 580 Nachwuchswissenschaftler aus aller Welt werden erwartet.

Im Mittelpunkt der Diskussionen werden auch die Experimente im Teilchenbeschleuniger LHC am europäischen Kernforschungszentrum (CERN) in Genf stehen, die dem Standardmodell schon bald festere Fundamente und Raum zur Erweiterung geben könnten. Die neusten Entwicklungen zu diesem Thema erörtern die Nobelpreisträger Carlo Rubbia, Martinus Veltman, George Smoot und David Gross in einer Podiumsdiskussion mit Vertretern des CERN per Live-Schaltung nach Genf.

Die Macht der schwachen Wechselwirkung

Mit Carlo Rubbia, Martinus Veltman und David Gross kommen drei Nobelpreisträger nach Lindau, die entscheidende Beiträge zum Standardmodell der Teilchenphysik geliefert haben. Ihre Entdeckungen beziehen sich auf die starke und auf die schwache Wechselwirkung innerhalb des Atomkerns, zwei der vier Grundkräfte der Physik. Die anderen beiden sind die Schwerkraft und die elektromagnetische Kraft, die unter anderem dafür sorgt, dass negativ geladene Elektronen in einer stabilen Wolke um den positiv geladenen Atomkern bleiben. Im Atomkern finden sich, je nachdem, um welches chemische Element es sich handelt, eine bestimmte Anzahl von Protonen und Neutronen, die wiederum jeweils aus drei Quarks bestehen.

Damit sich aus einfachem Wasserstoff höhere Elemente bilden können, müssen Protonen sich in Neutronen verwandeln. Das geschieht auch bei der Kernfusion in der Sonne. Dafür ist die schwache Wechselwirkung verantwortlich. Ohne die schwache Wechselwirkung wäre unsere materielle Welt aus der Ursprungsenergie des Urknalls nicht entstanden. Die starke Wechselwirkung wiederum hält die Bestandteile des Atomkerns zusammen und wirkt der elektrischen Abstoßung gleicher Ladungen entgegen.

Ihre Wirkung entfalten die vier Grundkräfte über spezifische Austauschteilchen. Die Photonen vermitteln die elektromagnetische, die Gluonen die starke Wechselwirkung. Die Gravitonen werden als Überträger der Schwerkraft vermutet, bisher aber noch nicht entdeckt. Dagegen wurden die W- und Z-Bosonen als Vermittler der schwachen Wechselwirkung von einem Team um Carlo Rubbia und Simon van Meer am CERN nachgewiesen. Die Masse dieser Bosonen ist 80-mal größer als die eines Protons.

Auch Quarks und Elektronen zum Beispiel sind nicht masselos. Wie aber lässt sich das erklären, wenn das Standardmodell mathematisch nur masselose Teilchen erlaubt? Es muss, postulierte der englische Physiker Higgs, eine Wechselwirkung geben, die den Teilchen ihre Masse gibt, ein Kraftfeld, durch das sie wie durch Sirup gleiten, um schwer zu werden. Denn sonst könnten sich alle Teilchen nur mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen ohne jemals stabile Materie zu bilden.

Das Austauschteilchen dieses Kraftfeldes wäre das Higgs-Boson, das bisher noch nicht entdeckt wurde, weil dieses fehlende Puzzleteil nur bei sehr hohen Energien entstehen und extrem schnell wieder zerfallen würde. Erst der Teilchenbeschleuniger LHC am CERN kann diese Energien beim Zusammenstoß von Protonen erzeugen und die Bruchstücke dieser Kollisionen erfassen und analysieren.

Der verborgene Charme der Supersymmetrie

In seinem Vortrag „The LHC at CERN and the Higgs“ wird Martinus Veltman die Entstehung und Entwicklung des Standardmodells skizzieren und jüngste Befunde aus dem CERN diskutieren, die darauf hindeuten, dass es das Higgs-Teilchen tatsächlich gibt. Veltman wurde 1999 zusammen mit seinem ehemaligen Doktoranden Gerardus 't Hooft mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Beide konnten mathematisch zeigen, dass die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung ursprünglich in der sogenannten elektroschwachen Kraft vereinigt waren, wenngleich sich in unserer realen Welt ihre Kräfte in den Atomen um den Faktor 100 Milliarden voneinander unterscheiden.

Die Erklärung: Je höher die Energie wird - je mehr sich die Bedingungen also dem Anfang der Welt nähern -, desto stärker wird die schwache und desto schwächer die elektromagnetische Kraft. Auch die starke Wechselwirkung wird umso schwächer, je höher die Energie steigt. Sie zeigt eine sogenannte asymptotische Freiheit. Diese Entdeckung, für die David Gross 2004 zusammen mit H. David Politzer und Frank Wilczek den Physiknobelpreis erhielt, nährt die Hoffnung, dass sich alle vier Grundkräfte der Physik aus einer ursprünglichen Kraft ableiten, die sich in einer Weltformel beschreiben ließe. Denn die Austauschkräfte der schwachen, starken und elektromagnetischen Wechselwirkungen haben in jenem Energiebereich annähernd die gleiche Stärke, in dem auch die Schwerkraft groß genug wird, um mit ihnen verschmelzen zu können.

Die Voraussetzung für die Vereinheitlichung der vier Grundkräfte wäre aber, dass aus dem Urknall zunächst eine supersymmetrische Welt entstanden ist, in der es erst später einen Symmetriebruch gab, aus dem sich die bisher bekannten Elementarteilchen des Standardmodells entwickelt haben. Für jedes von ihnen gäbe es dann im Weltall einen supersymmetrischen Partner, der zwar eine Masse besitzt, sich aber sonst völlig neutral verhält und für drei der vier Grundkräfte nicht zugänglich ist. Nur über ihre Wechselwirkung mit der Schwerkraft könnte man solche supersymmetrischen Teilchen identifizieren. Wenn es sie tatsächlich gibt, dann wären sie im LHC des CERN experimentell eventuell aufzuspüren. Darauf setzt auch David Gross, der in seinem Vortrag „A century of quantum mechanics“ schildern wird, warum er daran glaubt, dass der Nachweis der Supersymmetrie eine neue Physik jenseits des Standardmodells begründen wird.

Das Rätsel der Dunklen Materie

Supersymmetrische Teilchen gelten in der Physik als aussichtsreiche Kandidaten zur Erklärung der Dunklen Materie, die die Galaxien des Weltalls wie ein unsichtbares Gerüst zusammenhält und rund 23 Prozent seiner Gesamtmasse ausmacht. Denn auch die Dunkle Materie verhält sich elektromagnetisch neutral und macht sich nur über die Gravitation bemerkbar: Sie krümmt den Raum und lenkt das Licht ab, das von weit entfernten Objekten zur Erde gelangt. Sie könnte also aus supersymmetrischen Teilchen zusammengesetzt sein. Aber auch schwere Neutrinos könnten dazu beitragen, die Dunkle Materie zu erklären, wie Carlo Rubbia in seinem Vortrag „Neutrinos: a golden field for astroparticle physics“ ausführen wird.

Neutrinos stehen in enger Beziehung zur schwachen Wechselwirkung und werden zusammen mit Elektronen bei der Umwandlung von Neutronen in Protonen beim radioaktiven beta-Zerfall frei. Warum ihre Masse nicht Null beträgt, wie ursprünglich angenommen, ist eine der Fragen, auf die das Standardmodell bisher keine Antwort hat. Es steht fest, dass alle Atome, die wir kennen, aus zwei verschiedenen Quarks, einer Art von Elektronen und einer Art von Neutrinos bestehen. Dennoch beschreibt das Standardmodell zwei weitere Viererfamilien, die aus ganz anderen Arten von Quarks, Elektronen und Neutrinos bestehen. Sie sind nur für winzige Sekundenbruchteile stabil. Sie sind in Teilchenbeschleunigern erzeugt und als elementare Bausteine des Universums erkannt worden. Wozu werden sie gebraucht? Warum gibt es drei Teilchenfamilien, wenn alle Phänomene des Lebens mit den Mitgliedern der ersten Familie erklärt werden können?

Womöglich seien alle Probleme der Teilchenphysik miteinander verwandt, meint Martinus Veltman. „Wenn wir das Higgs-Teilchen sehr detailliert erforschen, könnten wir vielleicht einen Schlüssel zur Lösung aller anderen Probleme finden. Das ist die Hoffnung für die Zukunft.“ Um sie zu erfüllen, müsste dieses Teil des Partikel-Puzzles aber erst einmal gefunden werden.
Die neusten Entwicklungen und Fortschritte am CERN werden im Rahmen der kommenden Tagung von den Nobelpreisträgern Carlo Rubbia, Martinus Veltman, George Smoot und David Gross mit Vertretern des CERN per Live-Schaltung nach Genf erörtert. Die Podiumsdiskussion findet am Donnerstag, dem 4. Juli, zwischen 15:00 und 16:30h in Lindau statt.

Weiterführende Informationen

Das Programm der 62. Lindauer Nobelpreisträgertagung, Hintergrundinformationen zu den teilnehmenden Laureaten und Abstracts/Zusammenfassungen Ihrer Vorträge sind verfügbar in der Lindauer Mediathek: http://www.mediatheque.lindau-nobel.org/#/Meeting?id=284. Sie umfasst außerdem Tonmitschnitte und Videos der Vorträge von Nobelpreisträgern aus der über 60jährigen Geschichte der Lindauer Tagungen. Mit ergänzenden Hintergrundinformationen, Fotos, Verlinkungen thematisch verwandter Inhalte und didaktisch aufbereiteten „Mini-Lectures“ ist die Lindauer Mediathek für Forscher, Wissenschaftsinteressierte, Journalisten und Pädagogen gleichermaßen interessant.

„Topic Cluster“ aus sämtlichen Mediathek-Inhalten zum Thema Subatomare Teilchen:

http://www.mediatheque.lindau-nobel.org/#/TopicCluster?id=4

Profil der Nobelpreisträger mit Hintergrundinformationen in der Lindauer Mediathek:

- Carlo Rubbia (Physik, 1984):
http://www.mediatheque.lindau-nobel.org/#/Laureate?id=6928
- Martinus Veltman (Physik, 1999):
http://www.mediatheque.lindau-nobel.org/#/Laureate?id=6968
- David Gross (Physik, 2004):
http://www.mediatheque.lindau-nobel.org/#/Laureate?id=6826

Offizielle Preisbegründung zu den oben genannten Laureaten:
- Carlo Rubbia erhielt 1984 den Nobelpreis in Physik gemeinsam mit Simon van der Meer „für ihre maßgeblichen Beiträge bei dem großen Projekt, das zur Entdeckung der Feldpartikel W und Z, Vermittler schwacher Wechselwirkung, geführt hat"

- Martinus J. G. Veltman wurde 1999 der Nobelpreis in Physik gemeinsam mit Gerardus 't Hooft für ihre Beiträge zur Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung verliehen

- David J. Gross wurde 2004 gemeinsam mit H. David Politzer und Frank Wilczek der Nobelpreis in Physik für die Erkenntnisse zur Kraft zwischen den kleinsten Materieteilchen im Atomkern, den Quarks, verliehen

Die Lindauer Nobelpreisträgertagungen
An der 62. Lindauer Nobelpreisträgertagung (Physik) vom 1. bis 6. Juli 2012 nehmen 27 Nobelpreisträger und über 580 Nachwuchswissenschaftler aus 69 Ländern teil. Zu den Themen gehören die Kosmologie, die Teilchenphysik sowie die Herausforderung einer nachhaltigen Energieversorgung und die Klimafrage. Die Nobelpreisträgertagungen finden seit 1951 jährlich in Lindau statt. Sie werden vom 1954 gegründeten Kuratorium für die Tagungen der Nobelpreisträger in Lindau e.V. und der im Jahr 2000 gegründeten Stiftung Lindauer Nobelpreisträgertreffen am Bodensee ausgerichtet. Der Stifterversammlung der Stiftung gehören mehr als 250 Nobelpreisträger an.

Verfolgen Sie die Lindauer Tagungen online
Blog: http://lindau.nature.com/
Twitter: http://twitter.com/#!/lindaunobel
Facebook: http://www.facebook.com/LindauNobelLaureatesMeeting

Jan Keese | idw
Weitere Informationen:
http://lindau.nature.com/
http://www.mediatheque.lindau-nobel.org/#/Meeting?id=284

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