Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt sämtliche Materieteilchen und Kräfte, aus denen unsere Welt aufgebaut ist. 30 Jahre hat es alle Tests mit Bravour bestanden. Und doch wollen die Physiker das Standardmodell durch eine neue Theorie ersetzen. Ein Bericht aus bild der wissenschaft (11/96).

bild der wissenschaft: Teilchenphysik: Tohu und Wabohu

Man muß die Ohren nicht besonders spitzen, um das Rumoren zu vernehmen, das derzeit von den Zentren der Elementarteilchenphysik ausgeht. Mal registriert ein Detektor nach einer Teilchenkollision mehr Bruchstücke als er sollte, ein anderes Mal scheint die Energiebilanz bei einem Stoß nicht aufzugehen – oder aber es häufen sich Zerfälle, die der Theorie nach äußerst selten sein sollten.

Auch bei Encarta •  Quiz-Archiv

Für die einen ist dieses Rumoren nichts weiter als das belanglose Rauschen irgendwelcher Meßinstrumente, dem man nicht allzu viel Beachtung schenken sollte. Andere hingegen sehen darin erste Anzeichen für jene „neue Physik”, auf die die Teilchenphysiker seit Jahren sehnsüchtig warten. Denn das Verhältnis der Physiker zu ihrem Standardmodell ist zwiespältig: Sie schätzen es zwar wegen seiner Zuverlässigkeit, doch mit ganzem Herzen sind sie ihm nicht zugetan.

Was man heute fast geringschätzig als Standardmodell bezeichnet, ist der Extrakt von 30 Jahren Forschung – eine Zeit voller aufregender Entdeckungen, herber Rückschläge und unvorhergesehener Wendungen. „Erst durch eine Fülle von Experimenten ist das Standardmodell zu dem soliden Gebilde geworden, wie wir es heute kennen”, betont Prof. Albrecht Wagner, Forschungsdirektor am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg.

Einer der Meilensteine auf dem Weg zum Standardmodell war Ende der sechziger Jahre der Nachweis, daß sich im Inneren des Protons punktförmige Objekte befinden, deren Ladung ein Drittel oder zwei Drittel der Elementarladung beträgt. Diese von Murray Gell-Mann schon Mitte der sechziger Jahre vorhergesagten Teilchen – von ihm Quarks genannt – waren also mehr als nur ein buchhalterischer Trick, der Übersicht in den ausufernden Teilchenzoo bringen sollte (Grafik: „Das Standardmodell”).

Dann ging es Schlag auf Schlag: Ende der siebziger Jahre wurde bei DESY das Gluon – der Vermittler der „starken” Kraft – entdeckt, das die Quarks im Proton wie ein Klebstoff zusammenhält. Die starke Kraft ist eine der drei Fundamentalkräfte, die im Standardmodell beschrieben sind.

Die Träger der zweiten, sogenannten „schwachen” Kraft – die Z- und W-Teilchen – fand man 1983 am Europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf. Damit war auch bewiesen, daß sich die schwache Kraft nur im Verbund mit der bereits im letzten Jahrhundert bekannten dritten Kraft – der elektromagnetischen Kraft – im Standardmodell verankern läßt. Die Präzisionsexperimente der letzten Jahre mit dem Large Electron Positron Collider (LEP) am CERN bestätigten die vereinigte elektroschwache Theorie im Detail.

Ein Höhepunkt in der Erfolgsgeschichte des Standardmodells war die Entdeckung des Top-Quarks am Fermilab bei Chicago im Jahr 1994. Die experimentelle Bestätigung der theoretisch berechneten Masse stellte die innere Konsistenz des Standardmodells eindrucksvoll unter Beweis.

Getrübt wird der Glanz des Standardmodells nur durch ein klitzekleines Wölkchen: „Das Z-Teilchen zerfällt öfter in Paare aus einem bottom-Quark und seinem Antiteilchen, als es sollte”, erklärt Dr. Martin Grünewald von der L3-Arbeitsgruppe, die mit einem der vier riesigen Detektoren am CERN-Beschleuniger LEP auf Teilchen lauert. Jüngste Messungen scheinen diese Aussage zu relativieren: Die Diskrepanz zwischen Theorie und Experiment scheint bei weitem nicht so groß zu sein, wie man zunächst glaubte.

Um so mehr stellt sich die Frage: Was ist der Grund für die Unzufriedenheit vieler Teilchenphysiker mit ihrem eigenen Weltbild, warum die unablässige Suche nach dem Haar in der Suppe? „Das Standardmodell kann nicht der Weisheit letzter Schluß sein. Es läßt zu viele Fragen offen”, bemängelt Albrecht Wagner. Gerne wüßten die Wissenschaftler:

• • Warum umfaßt die Theorie gerade 12 Materie-Teilchen und nicht mehr?
• • In das Standardmodell gehen 18 freie Parameter ein, die experimentell bestimmt werden müssen. Dazu gehören auch die Massen der Teilchen. Das Standardmodell kann zum Beispiel nicht erklären, warum das Top-Quark so viel schwerer ist als die anderen Quarks.
• • Warum sind die Kraft-Teilchen so überaus schwer im Vergleich zu den Mitgliedern der ersten und zweiten Familie?
• • Wie kommt es, daß die Ladung eines Quarks gerade minus 1/3 oder plus 2/3 der Elementarladung beträgt?
• • Im Standardmodell sind nur elektromagnetische und schwache Kraft vereinigt – nur sie lassen sich mathematisch aus einer gemeinsamen Kraft ableiten. Wie lassen sich die beiden Kräfte mit der starken Kraft unter einen Hut bringen?

Doch diese Barriere wird für immer unerreichbar sein. Um Teilchen auf so enorme Energien zu katapultieren, müßte ein Beschleuniger einen Umfang von etwa 1000 Lichtjahren haben. Zum Vergleich: Der am CERN geplante Large Hadron Collider (LHC) hat einen Umfang von 27 Kilometer und erreicht nur eine Energie von rund 104 Gigaelektronenvolt. Doch vieles deutet darauf hin, daß das Standardmodell schon bei viel niedrigeren Energien eine Metamorphose durchmacht. Wie sich diese Wandlung vollziehen wird, ist noch unklar. Drei Möglichkeiten werden derzeit diskutiert:

1. Higgs-Teilchen: Für dieses Teilchen, das auf einer Idee des schottischen Physikers Peter Higgs basiert, gilt ähnlich wie für das Top-Quark: Die eigentliche Sensation bestünde darin, es nicht zu entdekken. Immerhin erfüllt es im Standardmodell die wichtige Funktion, Quarks, Leptonen und einige Kraft-Teilchen mit Masse „einzukleiden”. Erst das Higgs-Teilchen erklärt, warum das Photon masselos ist, die W- und Z-Teilchen jedoch stattliche 81 beziehungsweise 91 Gigaelektronenvolt schwer sind. Das entspricht immerhin einer Masse von fast 100 Protonen.

Gäbe es das Higgs-Teilchen nicht, müßten sich die Theoretiker nicht nur etwas Neues für die Massenerzeugung einfallen lassen, sie sähen sich zudem mit physikalischen Größen konfrontiert, die mit steigender Energie ins Unendliche wachsen. „Das Higgs-Teilchen wurde ursprünglich eingeführt, um das Standardmodell auch bei höheren Energien konsistent zu machen”, erklärt Prof. Peter Zerwas von DESY und fügt einschränkend hinzu: „Das funktioniert aber nur dann, wenn das Higgs-Teilchen nicht zu schwer ist.” Keinesfalls sollte es mehr als 700 Gigaelektronenvolt wiegen.

Am CERN haben verschiedene Gruppen nach typischen Signalen für ein Higgs-Teilchen gesucht, das bevorzugt in ein Bottom-Quark und sein Antiquark zerfallen sollte. Tatsächlich fand man mehrere interessante Kandidaten. „Was zunächst nach neuer Physik aussah, hat sich als statistische Schwankungen erwiesen”, bedauert Dr. Martin Grünewald. Immerhin steht nach den Experimenten fest, daß das Higgs-Teilchen schwerer als 65 Gigaelektronenvolt sein muß. Diesem Ergebnis kann man durchaus Positives abgewinnen, denn auch ein zu leichtes Higgs-Teilchen würde den Forschern Sorge bereiten.

Mit LEP wird man die Suche bis zu einer Masse von 90 Gigaelektronenvolt fortsetzen können. Aber erst der Large Hadron Collider (LHC), der im Jahr 2005 den Betrieb am CERN aufnehmen soll, wird den gesamten in Frage kommenden Massebereich abdecken.

2. Substruktur von Quarks und Leptonen: Die unerklärliche Beziehung zwischen der elektrischen Ladung der Quarks (plus 2/3 oder minus 1/3) und der Ladung der Leptonen (0 oder minus 1) brachte Forscher schon vor Jahren auf die Idee, diese beiden Teilchenklassen auf noch fundamentalere Objekte zurückzuführen. Einem Modell zufolge sollen ausgerechnet die Phantasie-Teilchen Tohu (Ladung 1/3) und Wabohu (neutral) eine tiefere Ordnung stiften. So ergeben drei Anti-Tohus das negativ geladene Elektron, während zwei Tohus und ein Wabohu sich zur Ladung 2/3 des Up-Quarks addieren. Entsprechend lassen sich auch das Down-Quark und das Elektron-Neutrino aufbauen. Durch die richtige Prise Energie kann man diese zusammengesetzten Objekte anregen wie ein Atom mit seinen verschiedenen Energieniveaus. Die schwereren Leptonen und Quarks wären dann lediglich angeregte Zustände auf der nach oben offenen Energieskala.

Solche Gedankenspielereien gewannen Anfang des Jahres unvermittelt an Aktualität. Forscher vom Fermilab hatten bei der Auswertung von Stößen zwischen Protonen und Antiprotonen leichte Abweichungen von den Vorhersagen des Standardmodells festgestellt. Dieses bis heute unbestätigte Resultat löste wilde Spekulationen aus. In Betracht gezogen wurde auch eine zwar kleine, aber meßbare Ausdehnung der bislang als punktförmig geltenden Quarks.

Mittlerweile haben sich die Wogen etwas geglättet. Die innere Struktur der Quarks ist zwar nicht vom Tisch, favorisiert wird aber eine andere Erklärung: Vermutlich hat man die Verteilung der virtuellen Gluonen im Proton noch nicht richtig im Griff („Aufruhr im Teilchenzoo”, bild der wissenschaft 7/1996).

3. Große Vereinigung mit oder ohne SUSY: Das größte Manko des Standardmodells ist die bisher nur unvollständige Vereinigung seiner drei Kräfte. Das schreit geradezu nach einer umfassenderen Theorie, in der alle drei Kräfte Ausprägungen einer einzigen Kraft sind und Quarks und Leptonen lediglich Varianten des gleichen Teilchens sind. Das einfachste Modell einer großen vereinheitlichten Theorie sagt voraus, daß alle drei Kräfte bei einer Energie von etwa 1015 Gigaelektronenvolt miteinander verschmelzen. Eine derart höllische Energie hat nur in den ersten Augenblikken unseres Kosmos existiert: Schon 10-36 Sekunden nach dem Urknall hat sich die starke Kraft von der Urkraft getrennt.

Heutige Experimente bewegen sich im Bereich von 1000 Gigaelektronenvolt. Bis zur Vereinigungsenergie klafft also eine riesige Energielücke, die sich über zwölf Zehnerpotenzen erstreckt. Müßte man mit jeder Erhöhung der Energie mit neuen Teilchen, neuen Substrukturen oder anderen bislang unbekannten Phänomenen rechnen, könnte man die Hoffnung auf eine endgültige Theorie begraben. Doch auch das andere Extrem wäre nicht unbedingt verlockend: Eine Welt, in der die Widersprüche des Standardmodells bestehen bleiben.

Experimente an Teilchenbeschleunigern sprechen für eine Kompromißlösung. In einer großen vereinigten Theorie läßt sich der sogenannte elektroschwache Mischungswinkel exakt berechnen. Er gibt an, wie stark die elektromagnetische und die schwache Kraft miteinander verwoben sind. Gemessen wird dieser Winkel jedoch bei niedriger Energie. Vor einem Vergleich muß der experimentelle Wert über die Energielücke hinweg extrapoliert werden. Berücksichtigt man bei dieser Extrapolation nur die Teilchen des Standardmodells, stimmen Experiment und Theorie nicht genau genug überein. Sind also neue Teilchen die Lösung?

Die Wissenschaftler wären durchaus bereit, noch mehr Teilchen zu akzeptieren, wenn diese nicht aus heiterem Himmel fielen. Die Hoffnung der Physiker ruht auf der „Supersymmetrie”, kurz „SUSY”. Diese Symmetrie stellt einen Zusammenhang zwischen Materie – und Kraftteilchen her. Jedem Lepton und jedem Quark wird ein Partner (s-Lepton, s-Quark) zugeordnet, der Eigenschaften eines Kraftteilchens besitzt. Umgekehrt wird jedes Kraft-Teilchen des Standardmodells mit einem materieartigen Teilchen (Photino, Gluoino, Zino, Wino) gepaart. Diese Erweiterung des Standardmodells bringt Theorie und bisherige Experimente in Einklang – allerdings nur, wenn die supersymmetrischen Teilchen leichter als etwa 1000 Gigaelektronenvolt sind. Wenn die Theorie stimmt, müßten die Teilchen spätestens im LHC zu sehen sein. Das läßt die Entdeckerherzen höher schlagen. „Wenn Sie heute Wetten abschließen würden: Die meisten Leute würden ihr Geld auf SUSY setzen”, ist Albrecht Wagner überzeugt.

Die supersymmetrischen Teilchen, die bis zu zehnmal schwerer sein könnten als die heute bekannten schwersten Teilchen, hätten einen angenehmen Nebeneffekt: Sie würden die Vereinigung der drei Kräfte, die jenseits der Energielücke bei 1015 Gigaelektronenvolt erfolgt, um eine Zehnerpotenz zu höheren Energien hin verschieben und dadurch das Proton stabilisieren. Das würde erklären, warum Forscher bis heute trotz intensiver Suche keinen Zerfall von Protonen beobachten konnten.

Doch selbst die überzeugendsten Argumente ersetzen keinen Beweis. Das wissen auch die hartnäckigsten Protagonisten supersymmetrischer Theorien. Begierig stürzen sie sich deshalb auf ein „anomales” Ereignis, das derzeit in Fachkreisen für Aufregung sorgt: In der Fülle von Daten, die in den letzten Jahren im amerikanischen Fermilab gesammelt wurden, entdeckten Forscher ein Zerfallsereignis, bei dem die Energiebilanz nicht aufzugehen scheint. Wurde die fehlende Energie von supersymmetrischen Teilchen „entführt”? Prof. Thomas Müller von der Universität Karlsruhe, dessen Arbeitsgruppe an den Experimenten beteiligt ist, winkt ab: „Man sollte über ein einziges Ereignis nicht spekulieren. Das kann jede mögliche Art von Untergrund sein.”

Vorerst bleibt es also dabei: Für einen Flirt mit SUSY lassen sich gute Argumente ins Feld führen. Die große Liebe wird daraus aber sicherlich erst, wenn das erste supersymmetrische Teilchen zweifelsfrei nachgewiesen wurde.

CHRISTIAN SPEICHER ist promovierter Physiker und arbeitet als Wissenschaftsjournalist in Frankfurt. Für bild der wissenschaft hat er schon mehrfach über „harte” Physikthemen berichtet.

Ordnung im Teilchenzoo

Zu Beginn der dreißiger Jahre war der Kosmos der Teilchenphysiker noch überschaubar. Damals kannte man das Proton und das Neutron. Ein weiteres Teilchen, das Neutrino, war gerade erst vorhergesagt worden, um die Energieerhaltung beim Beta-Zerfall zu gewährleisten. Mit gutem Grund ging man davon aus, daß diese wenigen Teilchen elementar, also unteilbar waren. Zweifel regten sich erst, als im Lauf der Jahre immer weitere Teilchen hinzukamen.

Ordnung in den Teilchenzoo brachte schließlich das Quark-Modell. Seine „Erfinder” sahen sich zu einer drastischen Annahme gezwungen: Die Quarks mußten Ladungen von +2/3 (Up-Quark, „U”) oder -1/3 (Down-Quark, „D”) der elektrischen Energie gleich Masse?

Nach Einsteins Formel E=mc² sind Masse und Energie äquivalent. Die Physiker geben die Masse eines Elementarteilchens deshalb immer in Gigaelektronenvolt an (1 GeV, eine Milliarden Elektronenvolt).

Quarks hatte man nie zuvor in der Natur beobachtet, und auch heute ist der Beweis nur indirekt möglich.Denn ein isoliertes Quark, dessen Ladung man messen könnte, ist ein Ding der Unmöglichkeit. Statt dessen klumpen die Quarks unter dem Einfluß der starken Kraft zu Protonen (UUD) oder Neutronen (UDD) zusammen. Auch Kombinationen aus einem Quark und einem Antiquark sind möglich.

Im Standardmodell werden das Up- und das Down-Quark mit dem Elektron und seinem Neutrino zu einer Familie zusammengefaßt (grüner Balken in der Grafik). Diese Familie trägt die gesamte Last der gewöhnlichen Materie. Und doch ist das nur ein kleiner Ausschnitt der Realität: In Experimenten mit Teilchenbeschleunigern gelingt es, ungeheure Mengen von Energie auf kleinstem Raum zu konzentrieren. Diese Energie materialisiert sich mitunter in sehr schweren Teilchen, die aus Strange-, Charm-, Bottom- und Top-Quarks bestehen. Mit dem Myon und dem Tau-Teilchen besitzt aber auch das Elektron zwei schwerere Partner mit entsprechenden Neutrinos. Dem ursprünglichen Schema folgend, werden auch diese Teilchen in Familien angeordnet (oranger und blauer Balken). Es ist experimentell verbrieft, daß es mehr als drei Familien nicht gibt. Warum das so ist, ist eine der vielen Fragen, die das Standardmodell nicht beantworten kann.

Der Teilchenkatalog ist das eine Standbein des Modells. Das andere ist die ähnliche Struktur seiner drei Kräfte. Sie lassen sich allesamt auf den Austausch virtueller Kraft-Teilchen zurückführen, die den Zwängen der realen Welt wie der Erhaltung von Energie und Impuls nur bedingt unterliegen. Dafür müssen sie einem Prinzip genügen, dem in der Physik allerhöchste Priorität eingeräumt wird: Dieses sogenannte Eichprinzip verlangt, daß die physikalischen Gesetze auch dann noch ihre Form beibehalten, wenn man sie bestimmten mathematischen Transformationen unterwirft.

Die schwache Kraft gehorcht diesem Prinzip nur im Verbund mit der elektromagnetischen Kraft. Beide versteht man heute als verschiedenartige Ausprägungen einer vereinigten elektroschwachen Kraft. Unterscheidbar wurden diese beiden Kräfte etwa eine Zehntel Milliardstel Sekunde nach dem Urknall, als die hinter dem Eichprinzip stehende Symmetrie spontan gebrochen wurde. Dieser Prozeß ist eng mit dem Higgs-Teilchen verknüpft, nach dem die Forscher derzeit suchen.

Mit freundlicher Genehmigung von: bild der wissenschaft, 1996, H. 11.

Erscheint in:

Elementar­teilchen; Standardmodell; Physik