Am Ende des Strings

26. August 2014 von Joachim Schulz in Allgemein

Nach der Begeisterung für die Entdeckung des Higgs-Bosons am CERN in Genf ist eine gewisse Ernüchterung eingetreten. Schließlich ist die Theorie alt, nach der es mindestens ein Higgs-Boson geben muss. Viele fragen sich, ob sich der Bau eines Telichenbeschleunigers für dieses eine Teilchen überhaupt gelohnt hat. Ob die Unauffindbarkeit weiterer Teilchen am CERN das Ende der Stringtheorie bedeutet. Ob damit vielleicht entschieden ist, dass die Loop-Quantengravitation jetzt die Kandidatur für die nächsttiefere Theorie übernehmen wird.

Eines ist klar, die Luft für sogenannte supersymmetrische Theorien ist dünn. Supersymmetrie fordert, dass es mehr unbekannte Teilchen1 gibt. Die zusätzlich geforderten Teilchen fallen dabei nicht vom Himmel, sondern sind für die Stabilität der Theorie so wichtig wie die Existenz des Z-Bosons für die elektroschwache Wechselwirkung. Die Massen der zusätzlichen Teilchen können nicht beliebig hoch sein, je größer sie sind, desto schwieriger wird es für die Theorie, die Stabilität der Welt zu erklären. Außerdem sind die Wechselwirkungen, die die Teilchen miteinander und mit anderen, bekannten Elementarteilchen eingehen können, nicht beliebig. Sie ergeben sich aus einer wohl definierten Erweiterung der bekannten Teilchenphysik. Vertreter/innen der Supersymmetrie wissen also sehr genau, wonach sie suchen: Nicht zu schwere Teilchen mit wohl definierten Zerfallskanälen2.

Das dürfte jetzt für einige Nervosität sowohl bei den theoretischen Physikerinnen und Physikern als auch bei den Experimentator/innen führen, die an Supersymmetrie glauben und ihre Theorie darauf aufgebaut haben. Der Beschleuniger LHC am CERN befindet sich gerade im Upgrade auf die maximale Energie von 7 Tera-Elektronenvolt und soll in 80 Tagen anlaufen. Dann sollten supersymmetrische Teilchen gefunden werden.

Oder auch nicht, denn es gibt zwei Möglichkeiten, die dazu führen würden, dass der LHC auch bei maximaler Energie nicht fündig wird:

  1. Der supersymmetrische Ansatz und damit alle Stringtheorien könnten schlicht falsch sein.
  2. Eine komplexere als die angenommene Version der Supersymmetrie erlaubt Teilchen, die so schwer sind, dass sie vom LHC nicht messbar sind. Im oben verlinkten Beitrag hatte ich beschrieben, wie die Existenz von Z-Boson und Charm-Quark die elektroschwache Theorie retteten. Ähnliches könnte bei hohen Energien für supersymmetrische Theorien gelten.

Das klingt jetzt erstmal unbefriedigend. Der LHC ist nicht das Experiment, das die Stringtheorien oder allgemeiner alle supersymmetrischen Theorien endgültig ausschließen kann. Es könnte einfach die Frage offen lassen, ob es Supersymmetrie gibt oder nicht.3

Allerdings werden wir das nicht gleich nächstes Jahr wissen, denn neben der Möglichkeit der direkten Detektion neuer Teilchen gibt es noch die mühsamere Möglichkeit, kleine Hinweise auf neue Physik zu finden. LHC ist ja nicht nur eine Higgs-Bosonen-Entdeckungs-Maschine. Die beiden Detektoren ATLAS und CMS versuchen alle möglichen Prozesse bei den erreichbaren Energien zu analysieren und führen damit Messungen an allen bisher bekannten Teilchen bei höheren Energien als bisher durch. Das Top-Quark wird genauer untersucht, das Higgs-Boson wird auf alle seine Eigenschaften abgeklopft, andere Prozesse werden analysiert. Für die Untersuchung der Bottom-Quarks gibt es sogar einen eigenen Detektor namens LHC-B.

In vielen Jahren Datennahme und Auswertung wird LHC die Vorhersagen des bisherigen Standardmodells mit experimentellen Daten vergleichen und dabei nach Abweichungen Ausschau halten. Solche Abweichungen können dann eventuell doch noch Aufschluss über Supersymmetrie oder andere neue Modelle geben. Erst wenn auch dort alles dem Standardmodell entspricht, können wir davon reden, dass LHC außer dem Higgs-Teilchen nichts neues entdeckt hat. Er hätte dann aber immerhin das Standardmodell grandios bestätigt. Das wäre doch schonmal etwas.4

Und dann? Wenn nicht Supersymmetrie und Stringtheorie, käme dann die Zeit der Loop-Quantengravitation? Leider nein, denn die Loop-Quantengravitation ist ein Versuch, die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik zu versöhnen. Sie kann in der Kosmologie, im Versuch die Entstehung des Universums zu verstehen, sicher einige Fragen klären. Sie hat aber zumindest bisher noch keinen Ansatz hervorgebracht, den Teilchenzoo der Elementarteilchenphysik zu erklären, also die verschiedenen Teilchentypen auf tiefere Prinzipien zurückzuführen. Das tut die Supersymmetrie zwar auch nicht, aber sie ist die natürliche Fortführung der bisherigen Teilchenphysik. Was bisher so erfolgreich war, wird man nicht so schnell aufgeben. Jedenfalls nicht, bis jemandem ein besserer Ansatz einfällt.

Anmerkungen:

1. Wenn ich hier von einem Higgs-Boson und mehreren neuen Elementarteilchen rede, dann geht es um Teilchenarten. Selbstverständlich wurde das Higgs-Teilchen am CERN nicht nur einmal, sondern statistisch signifikant häufig in zwei unabhängigen Detektoren gemessen.
2. Als Zerfallskanal bezeichnet man eine Möglichkeit eines instabilen Teilchens zu zerfallen. Ein Neutron als relativ leichtes Elementarteilchen zerfällt zum Beispiel in ein Proton unter Abgabe von Elektron und Neutrino (Betazerfall). Es hat nur einen Zerfallskanal. Schwere Elementarteilchen haben meist viele.
3. Ich wäre ja für einen Nachfolger des LHC.
4. Und Grund genug, einen Nachfolger zu bauen, der höhere Energien erreicht oder als Elektronen-Positronen-Collider höhere Genauigkeit verspricht.

15 Kommentare zu “Am Ende des Strings”

  1. Stefan Antworten | Permalink

    Aber das ist doch eher ein fatales Zeichen, wenn an der Stringtheorie festgehalten wird, nur weil sie die Tradition der teilchenphysik fortführt, aber keine Vorteile gegenüber der Loop-Quantengravitation bringt. Also weder kann sie den Teilchenzoo der Elementarteilchenphysik besser oder mehrwertiger erklären, noch liefert die Stringtheorie auch nur ansatzweise falsifizierbare Aussagen. Also echte falsifizierbare Aussagen und nicht, "ja, vielleicht findet man Schwarze Löcher im Cern, aufgrund von der Stringtheorie möglicherweise vorhergesagte Extradimensionen und wenn nict, dann stimmt halt eine andere der 10^500 Möglichkeiten".

    Nach 40 Jahren Stringtheorie ohne falsifizierbare Aussage und nachdem sie eh schon fast tot war und nur durch nette mathematische Spielerein wiederbelebt wurde und nun auch die SUSY Probleme bekommt, sollte doch langsam über die Sinnhaftigkeit nachgedacht werden.
    Wenn aber nun auch noch SUSY damit anfängt, mit "na gut, wenn ich nciht falsifizeirbar bin, dann bin ich halt noch komplexer, als ihr euch vorstellen könnt" - wirds langsam kritisch.

    Ich erinnere daran, dass die Wissenschaft durchaus ad-hoc Hypothesen erlaubt, die falsifizierte Aussagen einer Theorie und damit die Theorie selbst retten - aber diese ad-hoc-Hypothesen müssen noch mehr Falsifikationsmöglichkeiten bieten, sie müssen also noch mehr Aussagen leifern können, die überprüft werden können. Also die Welt noch mehr erklären können.

    Nun gut, lassen wir mal den Umstand beiseite, dass die Stringtheorie keine falsifizierbare Aussagen liefert - deren rettung durch ad-hoc Hypothesen erklären nichts mehr, sie schaffen nicht noch mehr falsifizierbare Aussagen, ganz im Gegenteil: Sie machen die Theorie unangreifbar. Und das nennt sich Doppelt verschanzter Dogmatismus. MIt Wissenschaft hat das nichts mehr zu tun.

    • Martin Holzherr Antworten | Permalink

      Stringtheorien und diverse Theorien, die die Gravitation und den Raum erklären, können eventuell auf unbestimmte Zeit weiter nebeneinander existieren, wenn es keine Experimente gibt, die eine Entscheidung erzwingen. All diese parallel nebeinander existierenden Theorien werden aber zurückgedrängt, wenn es Beobachtungen gibt, die keine dieser Theorien erklären kann. Darum sind ja Teilchenbeschleuniger wie der LHC so wichtig und deshalb wartet man auf eine Beobachtung, die mit dem Standardmodell nicht erklärt werden kann. Das Fehlen von Supersymmetrie wäre übrigens bereits ein Problem für die Quantenfeldtheorien, weil dann die Wahrscheinlichkeiten für bestimmte Zerfälle und Ereignisse durch etwas anderes erklärt werden müssten. Leider ist das Fehlen von supersymmetrischen Teilchen aber nur ein Negativergebnis. Es zeigt keinen Ausweg auf.

    • Joachim Schulz Antworten | Permalink

      Es ist ja nicht so, dass SUSY gar keine überprüfbaren Vorhersagen macht. Erstens sagt sie vorher, dass es zu jedem bekannten Teilchen einen supersymmetrischen Partner gibt, zweitens macht sie aussagen dazu, wie groß die Massenunterschiede werden dürfen, ohne dass weitere Felder zur Stabilisierung notwendig werden. Die Theorie ist damit im Prinzip falisifizierbar. Das Problem ist nur, dass wir uns am Limit des experimentell überprüfbaren befinden. Die Überprüfung der SUSY ist größtenteils ein technisches Problem, kein prinzipielles,

      Mein Satz " Das tut die Supersymmetrie zwar auch nicht," bezieht sich auf den Umstand, dass die Supersymmetrie kein neues Prinzip liefert, aus dem hervorgeht, welche Symmetrien es gibt und warum sie gebrochen sind. Wenn man so will, parametrisieren diese Theorien (Standardmodell + supersymmetrsiche Erweiterungen) die Messwerte und geben ihnen damit einen Deutungsrahmen. Das ist deutlich mehr, als die LQG leisten kann und es könnte sich eines Tages als Ansatz für wirklich revolutionäre Theorien bezahlt machen.

      • Martin Holzherr Antworten | Permalink

        SUSY or not SUSY? ist the question. Doch SUSY ist vor allem ein Nachweisproblem, wie das oben von Joachim Schulz gesagt wurde. Findet der LHC keinen Hinweis auf SUSY, heisst das laut Supergravity gauge theories strike back: There is no crisis for SUSY but a new collider may be required for discovery lediglich, dass SUSY-models with radiatively-driven Naturalness in Frage gestellt sind, nicht aber SUSY-Modelle an und für sich.

        SUSY models with radiatively-driven naturalness (RNS) are found with high scale fine-tuning at a modest ~10%. In this case, natural SUSY might be discovered at LHC13 but could also easily elude sparticle search endeavors. A linear e^+e^- collider with \sqrt{s}>2m(higgsino) is needed to provide the definitive search for the required light higgsino states which are the hallmark of natural SUSY.

        Im Artikel wird konsequenterweise ein neues Nachweisgerät, ein Elektronen/Positronen-Collider gefordert um das Higgsino zu finden, welches DAS Teilchen ist, das über SUSY oder nicht-SUSY bestimmt.

        • Frank Wappler Antworten | Permalink

          Martin Holzherr schrieb (18. Februar 2015 10:45):
          > [...] das Higgsino zu finden, welches DAS Teilchen ist, das über SUSY oder nicht-SUSY bestimmt.

          Oder:
          vielleicht doch nur über (die (momentane) empirische Hinlänglichkeit von)
          "natural SUSY models", oder nicht.

  2. chris Antworten | Permalink

    Zu Anmerkung 3+4:

    Ich weiß nich, vielleicht sollte man lieber einen Fahrstuhl ins All bauen, anstatt noch so ein hochspezielles Megaspiezeug für erwachsene Kinder?

    Aber wo dann mit den Tunnelbohrmaschinen hin? Fragen über Fragen. ...

    Ah: Mit einem Teilchenkollidierer im All wäre ich auch zufrieden zu stellen. Ein genialer Kompromis! Oder?

    • chris Antworten | Permalink

      Das hier drüber war nur ein Gedanke eines Experimentalschlaumeiers...

      (Ha, auf den Schenkel gekloppt, bis es schmerzt)

    • Peter Wolff Antworten | Permalink

      Gegenvorschlag: Ich skizzierte vor bald 15 Jahren im damaligen Forum von Spektrum der Wissenschaft eine Weltmetro und einen (Magnet-)Schleuderzug in einen Lagrangepunkt:

      http://www.soso.ch/technik/aktuell/thema1.htm

      Wäre das Forum damals nicht wortwörtlich auf Kindergartenniveau abgerutscht, hätte ich noch etwas zu den Grundlagen der Physik geschrieben. Einiges von dem, was mir damals durch den Kopf ging, habe ich inzwischen ausgearbeitet:

      http://www.wolff.ch/astro/q.pdf

      Leider habe ich aber noch immer Probleme mit einer regulären Veröffentlichung

      http://www.wolff.ch/astro/Pub.pdf

  3. Peter Wolff Antworten | Permalink

    LHC Megaspielzeug oder potente Forschungsanlage?

    Schön, dass man nun auch an solch unkritischen Orten wie hier den Mut aufbringt obige Frage anzudenken. Einen 6 Jahre alten, eigenen Online-Leserbrief dazu findet man unter:

    http://www.soso.ch/WeWo-CERN.pdf

    Klarheitshalber: Ich kenne bzw. kannte das CERN aus eigener Erfahrung.

    • Martin Holzherr Antworten | Permalink

      Besser ein Large Hadron Collider als ein Large Mankind Collider.
      Wer weiss vielleicht sagen die Leute der nächsten Generation: "Wir können uns keinen Krieg mehr leisten, wir haben alles Geld für den Nachfolger des LHC, den Giant Hadron Collider ausgegeben." Wäre das schlimm?

      • chris Antworten | Permalink

        Würde aber an Kritikvarianten nicht mangeln. Hunger in Drittweltländer ist da immer sehr beliebt, wenn die Argumente einem Totschlag nahekommen (also Totschlagargument).

        Ich hab nichts gegen große Maschinen. Aber es zwickt dann doch irgendwie, wenn man bedenkt, welch Aufwand und Laufzeit gegenbüberstehen. Und (bezüglich des Fahrstuhls ins All) die allgemeine Aufmerksamkeit (und auch Nutzbarkeit) höher wäre, als beim Teilchenbeschleuniger.

        Sind eigendlich die physikalischen Grenzen beim LHC so ausgereizt, dass man einen neuen ... noch größeren braucht? Reicht nicht auch ein Technik-Tuning (oder Update) aus - vielleicht, wenn sich die Ingenieure mal dransetzen? Der Tunnel ist ja jetzt nun mal da - was soll der sonst noch taugen? Als High-speed Experimentaleisbahn-Rundkurs etwa?

      • chris Antworten | Permalink

        Ich befürchte auch, dass Waffen - mutmaßlich das erste Werkzeug der Menschheit - auch das letzte Werkzeug sein werden - also dafür immer Geld übrig sei.

        Und kennen sie die Strategie, jemanden anderen etwas hinterherzuschmeissen, mit dem er sich höchstwahrscheinlich selbst schadet? Waffen sind da der Königsartikel. Aber all des Meckerns nützt ja nix. Streitkräftedienstleistungen sind ja auch nicht besser angesehen.

    • Joachim Schulz Antworten | Permalink

      Hallo Carsten,
      Ja, habe ich gelesen. Das spannende ist, dass die Expertinnen so überzeugt waren, dass sie sogar schon die Veröffentlichung vorbereitet hatten. Ich bin wirklich ziemlich gespannt, was der nächste Lauf bringen wird.

      Gruß,
      Joachim

  4. Schorsch Antworten | Permalink

    Hallo Herr Schulz, den populären Erklärungsversuchen zum Higgs-Boson entnehme ich die Vorstellung, dass eine Art allgegenwärtiges "Higgs-Feld" dafür sorgt, dass Elementarteilchen, die es "durchpflügen", ihre Masseneigenschaften zeigen. Mich erinnert diese Allgegenwart eines Feldes, das den Teilchen allüberall und jederzeit genau die ihnen zugeordnete Masse vermittelt, sehr an die frühere Vorstellung vom allgegenwärtigen "Äther". Wo ist der Unterschied?

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