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FAQ 050 E-mail

Wenn die Superpartner aller bekannten Elementarteilchen tatsächlich existieren, wieso können wir sie bis heute nicht nachweisen?


Schnelle Antwort für die Ungeduldigen:

Weil die Superpartner aller bekannten Elementarteilchen – laut Verfechter der Superpartner-Theorie – eine zu große Masse besitzen, als man sie leicht künstlich herstellen könnte. Dafür reicht die Energie der heutigen Beschleuniger nicht aus. Die große Hoffnung wird auf dem LHC (Large Hadron Collider) gesetzt, der 2008 in Betrieb ging. Nach den Vorhersagen des Minimalen Supersymmetrischen Standardmodells (MSSM) liegen die Massen der bisher unbeobachteten Superpartner im Bereich von 100 GeV/bis 1 TeV/. Das erste mit dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik kompatible supersymmestrische Modell – MSSM genannt – wurde von Howard Georgi und Savas Dimopoulos 1981 postuliert. Würde man die Existenz der Superpartner am LHC nachweisen können, hätte dies radikale Konsequenzen für das Verständnis der Materie, aber nicht nur das, sondern für die Astrophysik wäre das auch eine sehr erfreuliche Nachricht, weil die Existenz der Superpartner  von Elementarteilchen (z. B. das leichteste Neutralino) die Existenz der Dunklen Materie im Universum erklären könnte. Wenn Ihnen dies als Antwort genügt, freut mich, aber wenn Sie mehr wissen wollen, dann lesen Sie weiter.

 

Zunächst einmal ein paar Worte zum Begriff "Superpartner". Woher kommt diese seltsame Bezeichnung?

 

Machen wir nur einen superkurzen Ausflug in die Geschichte der Elementarteilchenphysik (er wird doch etwas länger!):

 

Alles begann irgendwann im 20. Jahrhundert mit dem sogenannten Standardmodell der Teilchenphysik und wurde mit der Zeit noch komplizierter, um nicht zu sagen umständlicher. Die Menge an Elementarteilchen, die bis heute experimentell entweder direkt oder indirekt nachgewiesen wurde, ist so groß geworden, daß wir von einem unüberblickbaren Teilchen-Zoo (über 200 Teilchen!) sprechen können. Damit wollte man der Natur auf ganz "elementare" Weise auf den Zahn fühlen, aber ich denke, es ist eher umgekehrt!

 

Die Idee, daß die Materie aus kleinsten Teilchen besteht, ist nicht neu. Schon 400 Jahre vor Christus kam Demokrit auf diese für seine Zeit sehr gewagte Behauptung und handelte sich sogar großen Ärger deswegen, denn man sah die Natur damals als etwas Heiliges an. Als man in unserer Zeitrechnung dann das Elektron, das Neutron und das Proton entdeckte, war man überglücklich, die Antwort bezüglich der Struktur der Materie gefunden zu haben. Jetzt schien die Welt wieder in Ordnung zu sein (Bohrsches Atommodell). Dieser freudigen Phase wurde jedoch von Paul Adrien Maurice Dirac, geboren am 8. August 1902 in Bristol (Vereinigtes Königreich), einem britischen Physiker, Nobelpreisträger und Mitbegründer der Quantentheorie, abrupt für alle Zeiten ein Ende gesetzt. Aus seiner berühmten Dirac-Gleichung (1928), einem System von partiellen Differentialgleichungen für die Komponentenfuktion R(x) mit x = x0, x1, x2, x3, deren Zeit- und Ortsabhängigkeit in der Quantenmechanik den Zustand eines Teilchens beschreiben, ergab sich die Existenz von Antiteilchen mit derselben Masse und demselben Spin, aber mit entgegengesetzter Ladung. Damit war das erste Antiteilchen des Elektrons – das Positron – geboren. Ein Jahr später wurde das Positron von Carl David Anderson 1932 in der kosmischen Strahlung experimentell nachgewiesen; er war es auch, der diesem Teilchen 'Positron' (positives Elektron) nannte. Auf die Existenz des ersten Antiteilchens in der Geschichte kam Paul Dirac als er versuchte die Quantenmechanik mit der Relativitätstheorie zu vereinigen. Heute (2009) ist man sicher, daß es zu allen Teilchen unseres Teilchen-Zoos Antiteilchen gibt. Und das heißt: In unserer Organisation "Teilchen-Zoo" haben wir jetzt die doppelte Menge an Mitgliedern. Was die Antiteilchen betrifft, ist das Photon die große Ausnahme, weil es sein eigenes Antiteilchen ist. Bei den Neutrinos ist nicht sicher, ob die Natur zwischen Neutrino und Anti-Neutrino unterscheidet.

 

Es dauerte nicht lange, dann fingen die Physiker an, fieberhaft nach Symmetrien in der Natur zu suchen. In der Elementarteilchenphysik bezieht sich der Begriff "Symmetrie" nicht auf optisch sichtbare Regelmäßigkeiten, sondern die Symmetrie der Materie äußert sich darin, daß die Naturgesetze gegenüber bestimmten Transformationsgruppen (Symmetriegruppen) kovariant (forminvariant) sind. Als kovariante Größen in der Physik bezeichnet man Größen, die unter einer Gruppe von Transformationen (z. B. Lorentz-Transformationen oder Galilei-Transformationen) linear transformieren, d. h. die transformierten Größen sind Linearkombinationen der ursprünglichen Größen (sie ändern ihre Form nicht). So sind die Newtonschen Bewegungsgleichungen kovariant unter Galilei-Transformationen, die Einstein-Feldgleichungen sind kovariant unter beliebigen Koordinatentransformationen, die Dirac-Gleichung ist kovariant unter Lorentz-Transformationen, die linke Seite der Klein-Gordon-Gleichung für ein Skalarfeld ist kovariant unter Lorentz-Transformationen, die Maxwell-Gleichungen sind kovariant gegenüber der Koordinatentransformationen der inhomogenen Lorentz-Gruppe, usw. Diese Kovarianz gilt für alle Naturgesetze und ist eine Folge der Homogenität und Isotropie von Raum und Zeit. Für Elementarteilchen spielen zusätzlich innere Symmetrien eine wesentliche Rolle, die auf der Invarianz der Naturgesetze gegenüber weiteren, nicht räumlichen Transformationen beruhen. Die wichtigste ist die SU(3)-Symmetrie der starken Wechselwirkung. Diese Symmetrie führte zur Voraussage des Ω -Hyperons und zu einer erfolgreichen Klassifizierung der Elementarteilchen. Mit jeder kontinuierlichen Symmetrie ist auch ein Erhaltungssatz verbunden (Noether-Theorem) und umgekehrt. Salopp ausgedrückt: Symmetrien liegen immer dann vor, wenn man etwas ändert und nichts passiert. Und jetzt versteht man, was Symmetrien bedeuten können: Die Entdeckung neuer Teilchen.

 

Und weil es so schön ist, extrapolieren wir jetzt das kräftige Teilchenwachstum unseres Teilchen-Zoos in die Zukunft und kommen damit zur Supersymmetrie (SUSY – ein schöner Name, kein Wunder, daß wir Physiker in sie verliebt sind! Die Dame ist aber mit Vorsicht zu genießen…!).

 

Schon während der Evolution der Elementarteilchenphysik hatte man natürlich nicht nur mit den Teilchen (Materie) zu tun, sondern auch mit den Feldern (Kräften), die zwischen den verschiedenen Teilchen als Wechselwirkungsteilchen vermitteln; man betrachtete sie jedoch als getrennte Bausteine der Natur und war letzten Endes nicht ganz damit zufrieden. Man wollte die Struktur der Natur 'vereinfachen'. Aus diesem Grunde hat man sich überlegt (Julius Wess/Bruno Zumino 1974), wie man Teilchen und Felder unter einen Hut bringt, d. h. einheitlich beschreibt. Dabei spielt der Spin eines Teilchens als einziger merkwürdiger Quantenaspekt eines Teilchens die Hauptrolle. Das Wess-Zumino-Modell ist nicht ein reelles Modell der Natur, sondern vielmehr ein minimales supersymmetrisches Modell mit einem einzigen Fermion und seinem Superpartner Boson. Auch wenn das Wess-Zumino-Modell nicht ein reelles physikalisches Modell darstellt, ist es aufgrund seiner Einfachheit als Modell nützlich, um gewisse Aspekte der physikalischen supersymmetrischen Modelle aufzuzeigen.

 

Und dann war es so weit. Die Supersymmetrie für Elementarteilchen wurde geboren, und nach Julius-Caesar-Manie kam sie, sah und siegte, denn sie verallgemeinerte das in der Physik (besonders in der Elementarteilchenphysik) so erfolgreich angewendete Symmetrieprinzip um einen weiteren Aspekt: Sie schaffte die strikte Trennung zwischen Materie und Feldern ab. Mit ihrer Hilfe lassen sich jetzt die unterschiedlichen Kräfte viel besser zu einer einzigen Kraft vereinen, die unmittelbar nach dem Urknall die Alleinherrscherin im gerade geborenen Universum gewesen sein soll. Mit der allmählichen Abkühlung des Universums trennten sich aber aus der Urkraft die verschiedenen Erscheinungsformen der uns heute bekannten Kräfte. Damit ist die Supersymmetrie jedoch – wenn es sie gibt – durch irgendeinen Mechanismus gebrochen.

 

Gemäß der Supersymmetrie (SUSY) gibt es zu allen Materieteilchen supersymmetrische Partner, die sich wie Kraftteilchen verhalten und umgekehrt. Die Supersymmetrie ist eine Symmetrie der Teilchenphysik, die Bosonen und Fermionen ineinander umwandelt. Die Teilchen, die sich unter eine SUSY-Transformation ineinander umwandeln, werden Superpartner genannt. Für die Namensgebung der Superpartner (bei Materieteilchen: Selektron zu Elektron, Squark zu Quark oder bei Wechselwirkungsteilchen: Photino zu Photon, Gluino zu Gluon, Gravitino zu Graviton) schauen Sie bitte im Internet nach.

 

Damit schien alles in Butter zu sein, aber für diese Leistung bzw. dieses erfreuliche Ergebnis mußten die Physiker jedoch einen sehr hohen Tribut dafür zahlen, denn das "Kaninchenprinzip" machte sich bemerkbar – die Zahl der Teilchen verdoppelte sich innerhalb kürzester Zeit. Und dazu kommt der Umstand, daß ihre Massen einfach zu groß sind (im Bereich von 100 GeV/c² bis 1 TeV/c²), wie ich eingangs sagte. Und da wir bis vor Kurzem diese hohen Energien nicht aufbringen konnten, glänzen die Superpartner durch Abwesenheit. Wir wissen bis heute nicht, ob diese tatsächlich existieren. Das letzte Wort hat der LHC. Vielleicht löst sich das Ganze einfach in (Anti)Luft auf oder es kommt eine beachtliche Umwälzung in der Physik auf uns zu. Warten wir es ab!

 

Als Kenner meiner hyperraumzeitlichen Superquantengravitation ist man geneigt, folgende Frage zu stellen:

Ob diese ominösen Superpartner vielleicht doch ein anderes für uns noch unzugängliches Kontinuum bevölkern?

Derjenige, der sich diese Frage stellt, denkt natürlich an so was Ähnliches wie das Quantenvakuum, in dem permanent virtuelle Teilchen und Antiteilchen entstehen (Quantenfluktuationen), um wieder zu verschwinden, wobei eines von diesen Teilchen/Antiteilchen – auch unter einer kritischen Gravitationseinwirkung wie von einem Schwarzen Loch – den Quantenvakuumsee verlassen kann (Heisenbergsche Unschärferelation), um sich in unserem R3 zu manifestieren (materialisieren), während das andere da bleibt, wo es hingehört.

 

Nun, eines ist sicher: Wenn es Superpartner zu allen bekannten Elementarteilchen gibt, dann bevölkern sie sicher nicht das Quantenvakuum. Abgesehen davon, daß wir nicht wissen, ob sie "virtuell" sind, gibt es sicher auch keine Anti-Superpartner – das fehlte ja noch, denn wir kämen vom Regen in die Traufe, und das wäre gar nicht gut. Wir wollen ja die Struktur der Natur vereinfachen!

 

Kehren wir aber kurz zur Frage zurück und spekulieren wir ein wenig: Gibt es ein Kontinuum (einen Pu(k) bzw. Rn), aus dem die Superpartner bei einer hochenergetischen Nukleonenreaktion (p+, p–) im LHC "abgerufen" werden könnten, um als fehlendes Glied bei einer Reihe von Nukleonenreaktions-Nebenprodukten zu fungieren? Eine Art "Superpartner-Universum" als Reservoir? Und könnte sich womöglich in diesem Kontinuum die schlüpfrige Dunkle Materie aufhalten?

 

Ich muß zugeben, die Idee ist nicht grotesk genug, um sie als Fantasterei abzutun. Die Angelegenheit ist leider nicht trivial, aber überlegen wir gemeinsam, um zu beurteilen, ob das möglich wäre.

 

Die Vorstellung einer von unserem Raumzeit-Kontinuum R3 unabhängigen Mannigfaltigkeit als Energie- bzw. Teilchen-Reservoir ist nicht neu -  sowas Ähnliches haben wir schon beim Problem der ungeheuer großen Vakuumenergiedichte, die von der Standardtheorie der Elementarteilchenphysik (STE) vorhergesagt wird. Dort wird angenommen, daß diese Vakuumenergiedichte von einem höherdimensionalen Universum "abgesaugt" wird, damit es nicht zur Katastrophe kommt. Denn nach der Standardtheorie (ST) müßte sich das Quantenvakuum eigentlich schlagartig ausdehnen und gleichzeitig sollte unser Universum deshalb eine sehr starke Krümmung aufweisen. Beides ist nicht beobachtet worden. Eine Lösung dieses Dilemmas bringt scheinbar die Supersymmetrie: die Beiträge der Teilchen und ihrer Superpartner heben sich gerade auf die Vakuumenergiedichte auf. Aber da ist immer noch das Problem der Masse. Abhilfe: Unser Universum ist eine in einem höherdimensionalen "Bulk-Universum" UB eingebettete vierdimensionale "Bran" (Kunstwort aus 'Membran'). Die Stringtheorie zeigt, daß die Supersymmetrie zwar auf der "Bran" (d. h. in unserem Universum) gebrochen würde, diese jedoch im Bulk-Universum so weit ungebrochen bliebe, daß sich eine geringe Vakuumenergiedichte damit vereinbaren ließe. Die "Absaugung" der Vakuumenergie(dichte) von Seite eines höherdimensionalen Bulk-Universums wird von dem sogenannten Rubakov-Shaposhnikov-Mechanismus ermöglicht, der von der Stringtheorie postuliert wird.

 

Nachdem wir festgestellt haben, daß höherdimensionale Mannigfaltigkeiten eine wichtige Rolle bei der Aufklärung vieler mit den klassischen Theorien noch unverstandenen Phänomene spielen, ist es nur ein kleiner Schritt bis zur Definition eines geeigeneten Kontinuums, aus dem die von der Supersymmetrie vorausgesagten Superpartner bei hochenergetischen Nukleonenreaktionen "bezogen" werden können. Nehmen wir also an, es gäbe so ein Kontinuum und geben wir ihm einen Namen, z. B. KSP.

 

Für die nachfolgenden Überlegungen will ich auf exakte mathematische Beweise verzichten und mich lieber auf die Endaussage konzentrieren:

 

Sei also KSP eine Branenwelt mit {KSP} {R3}, sowie {KSP} d {UB} und – wie oben gesagt – {R3} d {UB}. Diese Annahme ist gemäß der Bulk-Universum-Theorie gerechtfertigt. Sei außerdem KSP = {SP1, SP2, …, SPn} mit den Elementen SPn als die Menge aller Superpartner. Der Vollständigkeit halber ergänzen wir diese Mengenangabe, damit wir eine exakte Beschreibung unseres Superparter-Universums erhalten. Demnach gilt: KSP = {d(x:,x0), SPn, Sf}, wobei d die Metrik, SPn die Superpartner und Sf Superfelder sind. Es existiert eine Hyperfläche H, die unser R3 von KSP trennt. Solange diese Hyperfläche nicht "gestört" wird, d. h. solange keine Perturbationen in Form von raumzeitlichen Geometriefluktuationen einwirken, hält die Hyperfläche H "dicht". Krasse Geometriefluktuationen können durch die Einwirkung sehr großer Massen (Schwarze Löcher) oder auch durch sehr große Energien entstehen. Sobald adäquate Bedingungen erfüllt sind, wie in unserem Fall bei einer hochenergetischen Superkollision von Protonen auf Antiprotonen in R3 im Bereich von 100 GeV/ bis 1 TeV/, wirkt ein Mechanismus vom Transuniversum Ω so, daß ein Teil von H 'durchlässig' wird, wodurch dann die entstandene Kollisionsenergie regelrecht von KSP absorbiert wird. Gleichzeitig transformiert aber KSP diese Energie in ein massives Superpartner-Teilchen, das dann sofort in R3 sozusagen hineindiffundiert. Das bedeutet, KSP wirkt hier als Verarbeiter dieser Energie. Diese Energieverarbeitung wird nicht von R3 übernommen, weil die Energie dort ohne Verzögerung spontan gesplittet werden würde, wodurch andere bereits aus dem Standardmodell bekannte Teilchen entstehen würden, aber kein Superpartner. KSP sorgt quasi nicht nur für ihre Massenzuordnung, sondern auch für ihre lange Lebensdauer bzw. ihre Stabilität.

 

Dies alles ist zwar noch Theorie, die aber zumindest mathematisch bewiesen werden kann. Diese Überlegungen zeigen somit die Möglichkeit der Existenz eines sogenannten Superpartner-Universums, wobei die Manifestation eines solchen Superpartners nach einer hochenergetischen Nukleonen-Reaktion in R3 sich in R3 als ζ-Zustand zeigt, der nach hyperraumzeitlichen Regeln genau beschrieben kann.
 


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I know not with what weapons World War III will be fought, but World War IV will be fought with sticks and stones.


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