Wie die Teilchenphysik mit dem LHC auf Zeitreise geht

SUSY UND DIE DUNKLE MATERIE

Abb. C: Spuren eines Crashs zwischen Protonen in ATLAS, in dem ein Schauer von Teilchen erzeugt wurde. Darunter befand sich auch ein Higgs-Teilchen. Die verschiedenen Detektoren von ATLAS sind unterschiedlich gefärbt, die Myonendetektoren sind gelb (vgl. Titelbild). Bild vergrößern
Abb. C: Spuren eines Crashs zwischen Protonen in ATLAS, in dem ein Schauer von Teilchen erzeugt wurde. Darunter befand sich auch ein Higgs-Teilchen. Die verschiedenen Detektoren von ATLAS sind unterschiedlich gefärbt, die Myonendetektoren sind gelb (vgl. Titelbild).

2009 gingen LHC und seine Detektoren in Betrieb. 2012 war das erste Hauptziel erreicht: Die beiden großen Detektoren ATLAS und CMS fanden in den Teilchenkollisionen das heiß gesuchte Higgs-Teilchen (Abb. C). Als wichtigen nächsten Schritt soll der inzwischen verstärkte LHC das neu entdeckte Higgs-Teilchen genau vermessen. Es ist noch nicht sicher, ob es das gesuchte Higgs-Teilchen des Standardmodells ist. Es könnte auch eine ganze „Higgs-Familie“ geben. Von den Eigenschaften des Higgs-Teilchens hängt aber die Stabilität unseres Universums ab, denn es könnte auch irgendwann zerfallen. Vielleicht hilft das Higgs-Teilchen auch, ein anderes großen Rätsel der Physik zu lösen: Woraus besteht die allgegenwärtige Dunkle Materie im Universum? Hinter dieser Dunklen Materie, deren Wirken man in den Bewegungen der Sterne und Galaxien beobachten kann, könnten auch „supersymmetrische“ Teilchen stecken. Diese „Supersymmetrie" (Susy) ist ein wichtiges Thema. Bethkes früherer Kollege am Institut, Julius Wess, hat diese Theorie in den 1970er-Jahren mitentwickelt. Sie gesellt den bekannten Elementarteilchen eine zweite Welt von Spiegelteilchen hinzu, die allerdings schwerer sind. Der LHC sollte sie mit seiner enormen Energie erzeugen können, falls es sie gibt. Diese „Susy"-Teilchen könnten zum Beispiel hinter der Dunklen Materie stecken.

Warum beobachten wir im heutigen Kosmos nur Materie? Das ist eine weitere grundlegende Frage der Physik, die der LHC vielleicht beantworten könnte. Nach dem Urknall muss nämlich so viel Materie wie spiegelbildliche Antimaterie entstanden sein. Beide zerstrahlten sich aber sofort gegenseitig - bis auf einen winzigen Überschuss an Materie. Dieser blieb übrig und bildet unseren heutigen Kosmos. Für so folgenreiche Macken im Spiegelkabinett der Natur interessiert sich die Physik natürlich brennend.

„Diesen Symmetriebrüchen verdanken wir schließlich unsere Existenz", sagt Bethke und lenkt das Gespräch auf eine weitere spannende Frage: Gibt es mehr als nur drei Raumdimensionen? Die Stringtheorie benötigt zehn oder elf Dimensionen, um die widerspenstige Gravitation in ihre schwingenden Quantenfäden - die Strings - einzubetten. Warum erleben wir aber nur drei Raumdimensionen? „Die höheren Dimensionen könnten winzig klein aufgerollt sein", erklärt Bethke. Falls es sie gibt, könnten Supermikroskope wie ATLAS womöglich einen Blick in sie werfen. Vielleicht offenbart das Innerste unserer Welt aber auch völlig Neues.

Nach 2026 wird es für die Teilchenphysik  nochmals spannend. Ab 2023 soll der LHC „runderneuert“ und dabei erneut gestärkt  werden. Danach wird er noch voraussichtlich bis 2035 laufen. Fast zwanzig Jahre sind genug Zeit, um Physik zu studieren und selbst an der größten Maschine der Menschheit mit zu forschen.

TECHMAX Ausgabe 12, aktualisiert 04/2020; Redaktion: Tanja Fendt; Autor: Roland Wengenmayr

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