THEORIE. Was sucht man im LHC? Z.B. ein Teilchen, das anderen ihre Masse verleiht.
The LHC accelerates the proton and the lead, and the things that it discovers will rock you in the head“, heißt es im (fast nicht peinlichen) „Large Hadron Rap“ von CERN-Mitarbeiterin Kate McAlpine, zu hören auf YouTube. „Es geht um die faustische Frage, was die Welt im Inneren zusammenhält“, sagt der Wiener Doyen der theoretischen Physik, Herbert Pietschmann, etwas stiller. Er beklagt zugleich, dass diese Neugier „nicht mehr genügend Grund scheint, die finanziellen Ausgaben für CERN zu rechtfertigen.“ Es sei ein Zeichen des Zeitgeists, dass man gleich vom „Urknall“ sprechen müsse, um das Interesse der Öffentlichkeit wach zu halten.
Wie soll der „Large Hadron Collider“ uns etwas über das „Innerste der Welt“ sagen? Indem er Teilchen erzeugt und nachweist, die wir unter normalen Bedingungen nicht beobachten. „Normalerweise“ besteht unsere materielle Umgebung ja im Wesentlichen aus drei Materieteilchen: aus zwei Arten von Quarks (Up, Down), die die Protonen und Neutronen – damit also die Atomkerne – aufbauen, und aus Elektronen.
Das Standardmodell der Teilchenphysik kennt deutlich mehr Teilchen, darunter die Neutrinos (die so leicht und flüchtig sind, dass man sie schwer bemerkt), und vor allem schwerere Geschwister von Up, Down und Elektron.
Wenn Teilchen mit hoher Energie zusammenprallen, dann kann ihre Energie nach der Einstein-Formel m=E/c2 in die Masse neuer Teilchen umgewandelt werden, wobei, salopp gesagt, alles, was entstehen kann, entsteht. Je schneller die Teilchen rasen, umso größer sind die Massen der Teilchen, die bei den Kollisionen entstehen können. Praktischerweise gibt man sie gleich in Energieeinheiten an: in Elektronenvolt bzw. deren Vielfachen, Giga- und Teraelektronenvolt (GeV, TeV).
So wurde in Teilchenbeschleunigern das Standardmodell der Teilchenphysik komplettiert: Das schwerste Quark, das Top, wurde etwa 1977 von der Theorie vorhergesagt und 1995 am „Fermi National Accelerator Laboratory“ nachgewiesen. Heute ist das Standardmodell komplett und inkomplett zugleich. Komplett, weil alle Materieteilchen, sowohl Leptonen (leichte Teilchen: Elektronen, Neutrinos) als auch Quarks (Bestandteile der Protonen und Neutronen) in genau drei „Generationen“ existieren, womit die Theoretiker zufrieden sind. Komplett, weil für drei der grundlegenden Wechselwirkungen (Kräfte) die Kräfteteilchen (Bosonen) bekannt sind, die sie übertragen respektive verkörpern: das Photon für die elektromagnetische Kraft, drei Vektorbosonen für die schwache Kernkraft, die Gluonen („Klebstoffteilchen“, die die Quarks im Proton oder Neutron fest aneinander binden) für die starke Kernkraft.
Als alle Kräfte eins waren
Inkomplett ist das Standardmodell, weil das Graviton, das die vierte, schwächste Kraft, die Schwerkraft, verkörpern soll, völlig unbekannt ist. Inkomplett aber vor allem, weil die Physiker vom Gedanken beseelt sind, die Kräfte zu vereinen, nach dem Motto: Ganz am Anfang, als das Weltall noch ganz winzig war, aber die Energien ganz riesig waren, da waren alle Kräfte eins. Erst im Zuge der Abkühlung haben sie sich voneinander getrennt. Wieder zusammenführen kann man sie theoretisch – wenn man den richtigen Formalismus mit der richtigen Symmetrie kennt –, aber auch experimentell: indem man sich den Bedingungen nähert, die „damals“, kurz nach dem Urknall geherrscht haben.
Die erste (und die einzige bisher wirklich gelungene) „Vereinheitlichung“ zweier Grundkräfte gelang den Theoretikern Ende der Sechzigerjahre: in der Zurückführung der elektromagnetischen und der schwachen Kraft auf eine „elektroschwache“ Kraft. Das Problem dabei war: Wie erklärt man, dass die elektromagnetische Kraft so weitreichend ist, aber die schwache Kernkraft auf so kleine Abstände beschränkt? Äquivalent ist die Frage: Wie erklärt man, dass die Überträgerteilchen der elektromagnetischen Kraft, die Photonen, keine Masse haben, aber jene der schwachen Kraft sehr wohl?
Durch den „Higgs-Formalismus“, benannt nach dem schottischen Physiker Peter Higgs: Ein „Higgs-Feld“, das überall im Raum ist, tritt mit den Teilchen in Wechselwirkung; durch diese Wechselwirkung erhalten die Teilchen ihre Masse. Zunächst die Vektorbosonen, in späteren Versionen der Theorie überhaupt alle Teilchen, die eine Ruhemasse haben. Achtung: Bei weitem nicht die gesamte Masse eines Atoms entsteht so! Der größte Teil, ca. 95 Prozent, ist pure Bindungsenergie. Nur fünf Prozent rekrutieren sich aus der Masse der Quarks, die diese dem Higgs-Feld verdanken.
Wer braucht ein Higgs-Boson?
Gut, das mag für ein Higgs-Feld sprechen. Aber wozu braucht man ein Higgs-Teilchen? Weil es in der Quantentheorie (und ohne die ist längst keine Teilchenphysik mehr möglich) kein Feld ohne Teilchen gibt (und umgekehrt). Also soll es ein Higgs-Boson geben, das auch eine Ruhemasse hat, die es skurrilerweise durch Wechselwirkung mit dem eigenen Feld erhält.
Auch wenn das Higgs-Boson bisher rein hypothetisch ist, möchten sich die meisten Physiker keine Welt mehr ohne es vorstellen. Es gibt sehr konkrete Vorstellungen darüber, bei welchen Stößen es entstehen soll. (Vor allem bei denen von Gluonen mit Gluonen.) Vorstellungen gibt es auch darüber, bei welchen Energien – also mit welchen Massen – man Higgs-Teilchen finden könnte. Das untere Limit ist pragmatisch: die Masse, die mit dem letzten Beschleuniger gerade noch erreicht wurde, ca. 110 GeV. Das obere Limit gibt die Theorie vor: ca. ein TeV.
Denkbar ist aber, dass man nicht nur ein Higgs-Boson findet, sondern mehrere. Am besten fünf: Dann würden sich die Physiker freuen, die einer Theorie namens Supersymmetrie anhängen. Diese will, dass es zu jedem Kräfteteilchen ein Materieteilchen gibt und umgekehrt. Dadurch würde der Teilchen-Zoo verdoppelt. Auch von diesen supersymmetrischen Teilchen kennt man bisher kein einziges, sie sind, wenn es sie gibt, offenbar schwerer als 110 Gigaelektronenvolt, auch hier hofft man auf Sichtungen im LHC.
Und die winzigen Schwarzen Löcher? Ja, es gibt Theorien, nach denen sich solche bilden könnten. Aber dann müssten sie auch bei „natürlichen“ Zusammenstößen entstehen. Ein quasi kosmologisches Argument hat Helmut Eberl, theoretischer Physiker am Wiener Institut für Hochenergiephysik: Wenn sich bei hohen Energien gefährlich gefräßige Schwarze Löcher bilden, dann gäbe es uns nicht. „Sie hätten sonst das frühe Universum sehr schnell aufgefressen.“
("Die Presse", Print-Ausgabe, 10.09.2008)