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Physik Detektive im Teilchenzoo

Mit großen Beschleunigern erkunden die Teilchenphysiker den Ursprung des Universums – und stehen noch immer mit recht leeren Händen da.

27.09.2011 17:37
Brigitte Röthlein
Cern-Teilchenbeschleuniger in Genf. Foto: dapd

Mit großen Beschleunigern erkunden die Teilchenphysiker den Ursprung des Universums – und stehen noch immer mit recht leeren Händen da.

Gespannt wartete die wissenschaftliche Welt auf die Vorträge bei der Tagung „Lepton-Photon 2011“, die Ende August im indischen Mumbai stattfand. „Die Sitzung am Montagmorgen soll mit einem Knaller beginnen“, schrieb Peter Woit von der New Yorker Columbia-Universität in seinem Blog „Not even wrong“. Hatten doch die Ankündigungen, die wenige Wochen zuvor auf einer ähnlichen Konferenz in Grenoble bekanntgegeben worden waren, höchste Erwartungen geweckt.

Forscher, die am großen Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) am Cern bei Genf arbeiten, hatten Ergebnisse vorgetragen, die darauf hindeuteten, dass das langgesuchte Higgs-Teilchen kurz vor seiner Entdeckung stehe. Groß war deshalb die Enttäuschung, als man in Mumbai erfuhr, dass die Auswertung weiterer Messdaten die Erwartungen nicht bestätigt hatten. Blogger Jester schrieb dazu im Teilchenphysiker-Blog „Réso- naances“: „Immer noch kein Higgs in Sicht.“

Befindet sich die Teilchenphysik in einer Sackgasse?

Dabei hätte 2011 ein aufregendes Jahr für die Teilchenphysiker werden können auf der Jagd nach den letzten Geheimnissen des Universums: Der LHC arbeitet seit Monaten ohne Störung, eine ganze Reihe großer Experimente zur Suche nach Dunkler Materie sind in vollem Gang, die letzten aktiven Monate des Beschleunigers Tevatron in Chicago, der immer für eine Überraschung gut ist, laufen ab. Und nun: Drei Viertel des Jahres sind vergangen, überzeugend Neues wurde bisher nicht gefunden, und Aufregung gab es lediglich um Ergebnisse, die keiner so recht glauben mag. Deshalb fragen sich nun viele Forscher: Befindet sich die Teilchenphysik in einer Sackgasse?

Das Higgs-Teilchen soll erklären, wie Masse entsteht. „Welche Masse es aber selbst hat, ist nicht bekannt“, sagt Wolfgang Hollik, Direktor am Max-Planck-Institut für Physik in München. Bereits am LHC-Vorgänger LEP suchten die Forscher danach, aber dort wurde man nicht fündig.

Deshalb gingen die Theoretiker dann davon aus, dass die Erzeugung dieses Teilchens erst bei höheren Energien möglich ist, und genau in diese Regionen dringt nun der LHC vor. In ihm schießt man Protonen – Kerne von Wasserstoffatomen – fast mit Lichtgeschwindigkeit gegeneinander. Aus dem dabei entstehenden Energieblitz materialisieren sich neue Teilchen nach der Einsteinschen Formel E = mc2, denn Energie und Masse können ineinander übergehen.

Erfolglose Jagd nach der Dunklen Materie

Die bisherigen Messungen zeigen, dass man einen großen Massenbereich mit 95-prozentiger Wahrscheinlichkeit ausschließen kann. Übrig bleiben noch ein Fenster, das einen Bereich relativ geringer Masse umfasst, und einige oberhalb der bisher erreichten Energien. Gerade auf den unteren Sektor setzen die Physiker Hoffnungen, „aber dort ist es besonders schwer, ein Higgs-Teilchen nachzuweisen“, sagt Michael Kobel, Professor an der Uni Dresden und Forscher am Cern. „Es zerfällt abhängig von seiner Masse in die schwersten verfügbaren Teilchen. Im niedrigen Massenbereich aber werden diese durch die Bruchstücke der kollidierenden Protonen überdeckt, das heißt, wir müssen uns auf wesentlich seltener vorkommende Zerfallsprozesse beschränken.“ Man muss also länger messen, und deshalb meint der Forscher: „Ich bin nicht wirklich erstaunt, dass wir noch nichts gefunden haben.“

Mit anderen Worten bedeutet das, dass man weiter suchen muss. Bis Anfang November erhöht man am LHC kontinuierlich die Intensität der Teilchenstrahlen, dann folgt die Winterpause. Danach geht es weiter, und später – nach einem Umbau – sogar mit doppelt so hohen Energien. „Wenn wir etwas sehen, dann wird das voraussichtlich im kommenden Jahr passieren“, ist der Theoretiker Hollik zuversichtlich. „Und wenn es nicht das Higgs-Teilchen ist, dann etwas anderes, das uns weiterbringt.“

„Das Standardmodell, das wir bisher als Grundlage der Physik angenommen haben, beruht darauf, dass in der Natur alles eine gewisse Symmetrie besitzt“, erläutert Michael Kobel. „Aber die Symmetrie darf nicht zu perfekt sein, sie muss irgendwie gebrochen werden, sonst gäbe es keine Materie, sondern nur masselose Teilchen. Die von Peter Higgs und Kollegen vorgeschlagene Art der Symmetriebrechung sagt die Existenz eines Higgs-Teilchens vorher. Wenn es nicht vorhanden ist, muss es einen anderen Mechanismus geben.“

Das könnte eine fünfte Naturkraft sein oder die Vorstellung, dass bestimmte Elementarteilchen doch nicht so fundamental sind wie heute angenommen, sondern ihrerseits eine innere Struktur besitzen. Bisher wissen die Forscher nur, dass es eine Erklärung geben muss, aber sie haben noch keine Ahnung, welche die richtige sein wird.

Ähnlich prekär geht es gerade in einem anderen Bereich der Teilchenphysik zu, bei der Jagd nach der Dunklen Materie. Seit den 70er-Jahren wird danach gesucht – bisher erfolglos. Astrophysiker hatten bei ihren Beobachtungen herausgefunden, dass im Weltall weit mehr unsichtbare – sogenannte dunkle – Materie existiert als sichtbare. Viele Forscher sind heute davon überzeugt, dass es sich dabei um Elementarteilchen handelt, die noch aus den allerersten Sekunden nach dem Urknall stammen.

Sie nennen sie Wimps (Weakly Interacting Massive Particles), also massive Teilchen, die nur schwach mit normaler Materie wechselwirken. Deshalb sind sie kaum aufzuspüren. Trotzdem kann ihre Vielzahl dazu führen, dass es doch hin und wieder einen Zusammenstoß mit einem normalen Atom gibt, den man mit einem äußerst empfindlichen Instrument nachweisen kann.

Und dort haken eine ganze Reihe von Experimenten ein. Mit extrem sensitiven Detektoren versuchen sie, einzelne Wimps zu finden. Gleichzeitig muss man alle anderen Ereignisse, die ähnliche Reaktionen in den Messgeräten verursachen könnten, so gut es geht abschirmen. Deshalb befinden sich diese Experimente auch meist unter der Erde, wie etwa im Labor unter dem Gran-Sasso-Massiv in Italien.

Anfang September haben nun zwei konkurrierende Forschergruppen von dort ihre neuesten Ergebnisse auf einer Tagung in München vorgestellt. Wissenschaftler am Cresst-II-Experiment haben in den vergangenen zwei Jahren einige Dutzend Ereignisse gemessen, die auf Wimps hindeuten. Forscher anderer Experimente stützen dies, etliche Kollegen zweifeln die Ergebnisse jedoch an. Vorbehalte gegen die Cresst-Entdeckungen gab es vor allem von den Forschern des Xenon-100-Experiments, das ebenfalls im Gran-Sasso-Untergrundlabor läuft. Bei der Auswertung ihrer letzten Messkampagne zeigte sich trotz des riesigen Aufwands keines der Teilchen aus der Dunklen Materie; sie konnten damit einen großen Bereich von Häufigkeiten der Zusammenstöße mit normalen Atomen ausschließen. Dass nun gerade die neuen Resultate von Cresst in diesem Bereich liegen, macht die Verwirrung vollständig.

Damit ist die Frage nach der Existenz der Dunklen Materie immer noch offen. Alle Experimente messen weiter, die Anlagen werden aufgerüstet, vergrößert, und die Nachweismechanismen verfeinert.

Skeptiker fragen sich allerdings, ob es nicht eine müßige Suche ist, weil es vielleicht gar keine Dunkle Materie gibt. Der israelische Physiker Mordehai Milgrom war 1983 der Erste, der den Vorschlag machte, das Newtonsche Gravitationsgesetz zu modifizieren, um damit die Widersprüche bei der Beobachtung von Galaxienbewegungen zu beseitigen. Er führte in die Formeln eine zusätzliche Konstante ein und konnte tatsächlich zeigen, dass damit die Annahme Dunkler Materie überflüssig wurde.

Michael Kobel hält diese Mond-Hypothese (Modifizierte Newtonsche Dynamik) dennoch für eine Außenseiter-Theorie. Er verweist auf von der Galaxienbewegung unabhängige Hinweise auf Dunkle Materie, die sie nicht erklärt. Und wenn der LHC in den nächsten Jahren supersymmetrische Teilchen finden sollte, aus denen die Dunkle Materie ebenfalls bestehen könnte, würde er zur Lösung von gleich zwei Rätseln beitragen, zur Frage nach dem Higgs-Teilchen und zu der nach der Dunklen Materie.

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