Wie kann der Albtraum der Stagnation in der Teilchenphysik durchbrochen werden?

Sofern der Large Hadron Collider in Europa nicht für Überraschungen sorgt, könnte die Teilchenphysik ihrem Ende entgegengehen.

Zusammengestellt von Ye Lingyuan

Das ATLAS-Instrument, einer der vier Hauptdetektoren des Large Hadron Collider, wurde für eine neue Runde von Kollisionsexperimenten aufgerüstet. Bildnachweis: Maximilian Brice/CERN

Vor zehn Jahren begeisterten Teilchenphysiker die Welt. Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN ist der größte Teilchenbeschleuniger der Welt. Am 4. Juli 2012 gaben mehr als 6.000 hier tätige Forscher bekannt, Spuren des Higgs-Bosons entdeckt zu haben. Dabei handelt es sich um ein extrem massereiches, kurzlebiges Teilchen, das eine Schlüsselrolle bei der Erklärung spielt, wie andere Elementarteilchen ihre Masse erhalten. Die Entdeckung bestätigte eine damals 48 Jahre alte theoretische Vorhersage, vervollständigte eine physikalische Theorie, die als Standardmodell bekannt ist, und rückte die Physiker ins Rampenlicht.

Die Existenz des Higgs-Bosons wurde erstmals 1964 von Peter Higgs vorgeschlagen. Lange Zeit waren sich Physiker – einschließlich Higgs selbst – über die physikalische Bedeutung dieser Hypothese nicht im Klaren. Doch mit der Zeit wurde den Menschen allmählich klar, welche wichtige Rolle das Higgs-Boson in der Teilchenphysik spielt. Es ist das letzte fehlende Stück des Standardmodells, und dieses Teilchen (oder genauer gesagt das Higgs-Feld, das es anregt) ist der Grund, warum alle Teilchen Masse haben. Masse ist keine intrinsische Eigenschaft von Teilchen, wie ursprünglich angenommen; Vielmehr ist es das Ergebnis ihrer Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld, das das Universum durchdringt. Physiker glaubten jahrzehntelang an diese Theorie, doch erst 2012 wurde sie tatsächlich experimentell bestätigt.

Die Entdeckung des Higgs-Bosons ist ein monumentaler Erfolg in der Teilchenphysik: Sie markierte das Ende einer jahrzehntelangen Suche und den Beginn einer neuen Ära in der Erforschung dieses äußerst besonderen Teilchens. Doch dann verfiel das Feld nach dem Karneval in einen langen Kater. Schon bevor der 27 Kilometer lange, kreisförmige Large Hadron Collider im Jahr 2010 ernsthaft mit der Datenerfassung begann, befürchteten Physiker, dass er möglicherweise nur das Higgs-Teilchen produzieren und damit keinerlei Hinweise auf mögliche neue physikalische Phänomene jenseits des Standardmodells liefern könnte. Derzeit wird dieses Horrorszenario allmählich Realität. „Es ist ein wenig enttäuschend“, sagte Barry Barish, Physiker am California Institute of Technology in Pasadena. „Ich dachte, wir würden Supersymmetrie finden“, eine führende physikalische Theorie, die das Standardmodell erweitert.

Doch viele Physiker sagen, es sei zu früh, um zu verzweifeln. Nach drei Jahren der Aufrüstung bereitet sich der Large Hadron Collider auf die Durchführung der dritten von fünf geplanten Experimentalrunden vor. Dabei kämen Milliarden Proton-Proton-Kollisionen pro Sekunde zustande, bei denen neue Teilchen entstehen könnten. Auch die Entwicklung der künstlichen Intelligenz hat neue Möglichkeiten mit sich gebracht – vor zehn Jahren hätten die meisten Physiker die Idee, neuronale Netze zur Datenanalyse einzusetzen, wahrscheinlich belächelt. Doch mit Hilfe vieler jüngerer Forscher und Industriepartner konnte ein spezialisiertes neuronales Netzwerk aufgebaut werden, das Physikern dabei helfen kann, riesige Datenmengen nach Phänomenen zu durchsuchen, die einer weiteren Untersuchung würdig sind. Der LHC wird weitere 16 Jahre in Betrieb sein und mit weiteren Upgrades die 16-fache Datenmenge sammeln, die er bereits gesammelt hat. All diese Daten könnten subtile Hinweise auf neue Teilchen und neue Physik enthalten.

Einige Forscher sind jedoch der Ansicht, dass die Experimente in der Kollisionsphysik kurz vor dem Scheitern stehen und bald abgeschafft werden. Juan Collar, Physiker an der Universität Chicago, sucht in kleinen Experimenten nach Spuren dunkler Materie: „Wenn sie immer noch nichts finden, wird das ganze Feld aussterben.“ John Ellis, ein theoretischer Physiker am King's College in London, sagte, dass die Hoffnung auf Durchbrüche auf diesem Gebiet durch die langen und unsicheren Aussichten der Erforschung zunichte gemacht worden sei und dass das endgültige Scheitern so plötzlich und schmerzhaft sein werde wie das Ziehen eines Zahns und nicht so leise wie ein Zahn, der auf natürliche Weise ausfällt.

Seit den 1970er Jahren ringen Physiker mit dem Standardmodell der Teilchenphysik. Nach diesem Modell besteht gewöhnliche Materie aus leichten Teilchen, den sogenannten Up- und Down-Quarks, die sich in Dreiergruppen zu Protonen und Neutronen verbinden, sowie aus Elektronen und nahezu masselosen Teilchen, den sogenannten Elektron-Neutrinos. Zwei Gruppen schwererer Teilchen verbleiben im Vakuum inaktiv und erscheinen nur flüchtig bei den Stößen von Teilchenkollisionen. Alle Teilchen interagieren durch den Austausch anderer Teilchen: Photonen übertragen die elektromagnetische Kraft, Gluonen übertragen die starke Kraft, die Quarks zusammenhält, und massive W- und Z-Bosonen übertragen die schwache Kraft.

Das Standardmodell beschreibt alles, was Wissenschaftler bisher in Teilchenbeschleunigern beobachtet haben. Es kann jedoch nicht die ultimative Theorie der Natur sein. Es kann die Schwerkraft nicht beschreiben und beinhaltet keine mysteriöse, unsichtbare dunkle Materie. Im Universum dürfte das Massenverhältnis von dunkler Materie zu gewöhnlicher Materie etwa 6:1 betragen. Neutrinos sind im Standardmodell enthalten, aber man kann noch immer keine Erklärung für ihre extrem geringe Masse liefern. Gewöhnliche Materie wird offensichtlich auch durch das Standardmodell beschrieben, man weiß jedoch auch nicht, wie sie die Antimaterie übertraf und nach dem Urknall dominant wurde. Um das Higgs-Boson selbst herum gibt es noch viele Rätsel, die gelöst werden müssen.

Der Large Hadron Collider sollte diese Sackgasse durchbrechen. In seiner ringförmigen Struktur kollidieren zwei in entgegengesetzte Richtungen zirkulierende Protonen und erzeugen schwere Teilchen, die anderswo nicht verfügbar sind, mit Energien, die mehr als siebenmal so hoch sind wie die, die von jedem bisherigen Beschleuniger erreicht wurden. Vor einem Jahrzehnt stellten sich viele Physiker vor, dass der Large Hadron Collider rasch neue Phänomene entdecken würde, darunter neue wechselwirkende Teilchen und sogar Mini-Schwarze Löcher. Beate Heinemann, Direktorin der Teilchenphysik am deutschen DESY-Labor, erinnerte sich, dass die Menschen dachten, sie würden von den erzeugten supersymmetrischen Teilchen überwältigt werden. Damals glaubten die Physiker allgemein, dass die Entdeckung des Higgs-Bosons deutlich länger dauern könnte.

Unerwartet war jedoch, dass das Higgs-Boson so schnell – nämlich innerhalb von nur drei Jahren – entdeckt wurde. Das liegt zum Teil daran, dass seine Masse kleiner ist als von vielen Physikern erwartet, nämlich nur 133-mal so groß wie die eines Protons. Wenn seine Masse die Energiegrenze des Large Hadron Collider überschreitet oder seine Wechselwirkung mit anderen Teilchen schwach ist, haben wir keine Hoffnung, ihn überhaupt zu finden. Higgs selbst sagte einmal, er hätte nie erwartet, in seinem Leben Beweise für die Existenz des Higgs-Bosons zu finden, was zweifellos ein Meilenstein in der Teilchenphysik ist. Doch in den zehn Jahren seither haben die Physiker keine weiteren neuen Teilchen entdeckt.

Die Unfruchtbarkeit neuer Phänomene stellt mehrere der liebgewonnenen Prinzipien der Physik in Frage. Das Prinzip der Natürlichkeit besagt, dass in einer Theorie die dimensionslosen Verhältnisse physikalischer Konstanten in der gleichen Größenordnung wie 1 liegen sollten. Auf dieser Grundlage ist die geringe Masse des Higgs-Teilchens mehr oder weniger eine Garantie dafür, dass es in dem Energiebereich, den der Large Hadron Collider erreichen kann, neue unbekannte Teilchen gibt. Gemäß den Prinzipien der Quantenmechanik interagiert jedes virtuelle Teilchen, das im Vakuum des Weltraums umherwandert, mit realen Teilchen und beeinflusst deren Eigenschaften – und genau auf diese Weise verleiht das virtuelle Higgs-Boson anderen Teilchen Masse. Die Masse des Higgs-Teilchens hätte durch die anderen Teilchen des Standardmodells im Vakuum, insbesondere durch das Top-Quark, stark erhöht werden müssen, aber das ist nicht der Fall. Theoretiker schlussfolgern daraus, dass es im Vakuum mindestens ein neues Teilchen mit ähnlicher Masse und genau den richtigen physikalischen Eigenschaften – insbesondere einem anderen Spin – geben muss, um die Effekte des Top-Quarks „auf natürliche Weise“ aufzuheben.

Eine Grundlage für die Existenz solcher Teilchen könnte die Theorie der Supersymmetrie liefern: Sie postuliert für jedes bekannte Teilchen des Standardmodells die Existenz eines Partnerteilchens mit anderem Spin und höherer Masse. Diese Partnerteilchen sorgen nicht nur dafür, dass die Masse des Higgs-Bosons nicht zu hoch wird, sondern helfen auch zu erklären, wie das Higgs-Feld entsteht.

Doch im letzten Jahrzehnt wurden nur kleine Abweichungen zwischen experimentellen Beobachtungen und den Vorhersagen des Standardmodells entdeckt, und diese Anomalien deuten nicht auf die Existenz der erhofften neuen Teilchen hin. Im Jahr 2017 entdeckten Physiker beispielsweise bei Experimenten mit dem LHCb-Detektor (einem der vier wichtigsten Teilchendetektoren am Large Hadron Collider), dass B-Mesonen (ein Teilchen, das schwere Bottom-Quarks enthält) eine größere Wahrscheinlichkeit haben, in Elektronen und Positronen zu zerfallen als in Myonen und Antimyonen, was dem Standardmodell zufolge der Fall sein sollte. Ebenso gibt es Experimente, die nahelegen, dass Myonen möglicherweise etwas magnetischer sind, als das Standardmodell vorhersagt.

Auch das Higgs-Teilchen selbst bietet weitere Möglichkeiten zur Erforschung. Im August 2020 gaben Physikerteams, die am ATLAS-Instrument des Large Hadron Collider und am Compact Muon Solenoid (CMS)-Detektor arbeiteten, bekannt, dass sie beide den Zerfall des Higgs-Bosons in Myon- und Antimyon-Paare entdeckt hätten. Wenn dieser seltene Zerfall eine andere Rate aufweist als die Theorie vorhersagt, könnte die Abweichung auf ein neues Teilchen hinweisen, das sich im Vakuum versteckt, sagt Marcela Carena, theoretische Physikerin am Fermi National Accelerator Laboratory in Boston.

Diese Phänomene werden Physiker während des nächsten dreijährigen Experiments am Large Hadron Collider untersuchen. Allerdings führen diese Erkundungen möglicherweise nicht zu einem dramatischen „Heureka!“-Erlebnis. Momente. „Heute findet eine Verlagerung der Experimente hin zur Messung subtiler Phänomene mit sehr hoher Präzision statt“, sagt Heinemann. Dennoch sagt Carena: „Ich bezweifle sehr, dass ich in 20 Jahren sagen werde: ‚Oh Mann, wir haben nach der Entdeckung des Higgs-Teilchens nichts Neues gelernt.‘“

Wenn man sich die Entdeckung des Higgs-Bosons wie die Besteigung eines Berges vorstellt, dann wussten wir, als Higgs seine Theorie erstmals vorschlug, noch nicht einmal, wo der Berg war oder wie hoch er sein könnte – das Standardmodell der Teilchenphysik war noch nicht einmal vollständig. Die Menschen waren sich nur vage bewusst, dass sich irgendwo dort oben auf einem Berggipfel ein Higgs-Teilchen befand, das tatsächlich die Existenz der gesamten Struktur des Standardmodells bestätigen konnte. Erst Ende der 1990er Jahre bekamen wir eine Vorstellung davon, wie hoch der Berg war. Erst 2012 gelang uns der endgültige Gipfelsieg.

Aber jetzt war es anders, wir mussten die andere Seite des Berges hinunter und über die karge Ebene gehen. Diese Ebene erstreckt sich nach vorne, möglicherweise bis zur Planck-Skala (der kleinsten Raumskala im Universum). Wenn unsere aktuellen Vorhersagen zutreffen, muss es irgendwo in der Ebene noch weitere Berge geben, die einen weiteren Höhepunkt der Physik markieren. Vielleicht können wir neue Teilchen entdecken, wie etwa Leptoquarks (die der Schlüssel zur Erklärung der oben erwähnten Anomalien von B-Mesonen und Myonen sein könnten) oder sogar supersymmetrische Teilchen oder Teilchen der Dunklen Materie; Vielleicht können wir weitere Rätsel um das Higgs-Teilchen lösen – ist das Higgs-Teilchen selbst ein Elementarteilchen oder ein zusammengesetztes Teilchen? Könnte es mit dunkler Materie interagieren? Wenn ja, können wir dadurch mehr über dunkle Materie erfahren? Verleiht das Higgs-Feld dem Higgs-Teilchen durch Selbstaktion seine eigene Masse? Viele Wissenschaftler sind optimistisch, dass wir diese Probleme lösen können (auch wenn das ein wenig nach Zukunftsmusik klingt). Aber zumindest gibt es keinen klaren Hinweis darauf, wie weit wir die Ebenen durchqueren müssen, um diese neuen Berge zu sehen – und das ist der Unterschied zwischen unserer heutigen Situation und der Situation in den vergangenen Jahrzehnten.

Andere sind hinsichtlich der Chancen der LHC-Experimentatoren weniger optimistisch. Marvin Marshak, Physiker an der University of Minnesota in Twin Cities, glaubt: „Sie stehen vor einer Wüste, und sie wissen nicht, wie groß diese Wüste ist.“ Um die oben genannten Probleme zu lösen, müssen wir höchstwahrscheinlich in der Lage sein, Higgs-Teilchen in großen Mengen zu produzieren. Über diese Fähigkeit wird der Large Hadron Collider heute und auch in zwanzig Jahren nicht verfügen. CERN plant seinen nächsten Collider mit höherer Energie, den Future Circular Collider, der als zukünftige „Higgs-Fabrik“ dienen soll. Doch selbst Optimisten sagen, wenn der LHC keine neuen Entdeckungen macht, werde es schwieriger, die Regierungen weltweit davon zu überzeugen, den nächsten, größeren und teureren Beschleuniger zu bauen, um das Forschungsgebiet weiter voranzutreiben.

Heutzutage freuen sich viele Physiker am LHC einfach darauf, wieder an kollidierenden Protonen arbeiten zu können. In den letzten drei Jahren haben Wissenschaftler die Detektoren verbessert und den Niederenergie-Beschleunigerabschnitt des Colliders neu gestaltet. Mike Lamont, Leiter der Beschleuniger- und Teilchenstrahlforschung am CERN, sagte: „Der LHC sollte jetzt eine stabilere Kollisionsrate aufweisen, wodurch die Datenmenge effektiv um bis zu 50 % steigen würde.“ Seit Monaten arbeiten Beschleunigerphysiker langsam daran, den vom Large Hadron Collider erzeugten Teilchenstrahl zu optimieren. Sobald der Teilchenstrahl stabil genug ist, werden sie den Detektor einschalten, die Datenerfassung fortsetzen, eine neue Experimentierrunde durchführen und weiter auf der dunklen Ebene voranschreiten.

Verweise

[1] https://www.science.org/doi/10.1126/science.372.6538.113

[2] https://www.scientificamerican.com/article/how-the-higgs-boson-ruined-peter-higgss-life/

[3] https://www.scientificamerican.com/article/10-years-after-the-higgs-physicists-are-optimistic-for-more-discoveries/

[4] https://home.cern/news/press-release/physics/higgs-boson-ten-years-after-its-discovery

Produziert von: Science Popularization China

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