Planckton

Knapp zwei Wochen vor Weihnachten hielt die wissenschaftlich interessierte Weltöffentlichkeit den Atem an und richtete erwartungsvoll ihre gespannte...

Knapp zwei Wochen vor Weihnachten hielt die wissenschaftlich interessierte Weltöffentlichkeit den Atem an und richtete erwartungsvoll ihre gespannte Aufmerksamkeit auf ein öffentliches Seminar in Genf, das vom Cern durchgeführt wurde, um über den aktuellen Status der Higgs-Suche am LHC durch die beiden Experimente Atlas und CMS zu informieren. Präsentiert wurde schließlich ein in beiden Experimenten und in verschiedenen Kanälen übereinstimmend gefundenes, schwaches Signal im Bereich von 124 GeV, das Anzeichen für ein Higgs-Teilchen sein könnte. Auch wenn noch keineswegs die so sehnsüchtig erwartete Entdeckung des Higgs-Teilchens vermeldet werden konnte, ging doch eine Welle vorsichtiger Erleichterung durch die Reihen der Teilchenphysiker, denn wenn es auch zu diesem Zeitpunkt noch keinerlei Hinweise auf das Higgs gegeben hätte, wäre es für das Standardmodell-Higgs langsam kritisch geworden. Ursprünglich hatte man schon durchaus früher auf neue, revolutionäre Ergebnissen vom LHC gehofft, doch in den gut zwei Jahren, die seit der ersten Proton-Proton-Kollision am LHC vergangen sind, ließen sowohl das Higgs als auch andere spannenden Entdeckungen erstmal auf sich warten. In pessimistischen Kreisen begann hinter vorgehaltener Hand bereits die Frage nach dem Szenario mit dem, zumindest für die Öffentlichkeit, höchsten Enttäuschungspotential seinen Tabu-Charakter zu verlieren: was, wenn am LHC nichts gefunden wird, weder das Higgs noch Anzeichen auf eine Physik jenseits des Standardmodells?

Gespannte Aufmerksamkeit im Dezember 2011 am Cern: präsentiert wird 
der Status der Higgs-Suche am LHC durch die Experimente Atlas und CMS.´Foto AFP

Dieses Szenario ist nun zumindest erstmal aufgeschoben: „Das Higgs ist immer noch lebendig”, wie Cern-Chef Heuer im Dezember verkündete. Doch auch wenn sich das Higgs tatsächlich im kommenden Jahr weiter konkretisieren wird, gibt es trotzdem noch weiterhin Grund zur Sorge. Denn mit der Entdeckung des Higgs-Teilchens wird sich das Standardmodell der Teilchenphysik zwar glänzend bestätigt haben, das Standardmodell selbst ist trotz seiner großen Erfolge aber alles andere als eine wirklich schöne Theorie. Es hat mit einer ganzen Reihe von Problemen zu kämpfen und scheint daher mitnichten die finale Theorie der Teilchenphysik zu sein. Fast noch schlimmer als die Nicht-Entdeckung des Higgs wäre es daher für viele Teilchenphysiker, wenn der LHC zwar das Standardmodell-Higgs fände, aber keinerlei Hinweise auf eine „neue” Physik jenseits des Standardmodells liefern könnte.

Das Standardmodell hat insbesondere mit drei massiven Unzulänglichkeiten zu kämpfen: dem Hierarchieproblem, dem Problem der Vereinigung der Kopplungskonstanten und dem Mangel an Kandidaten für dunkle Materie. Das Hierarchieproblem hängt mit der Masse des Higgs-Teilchens zusammen. Higgs ist dafür verantwortlich den Wechselwirkungsteilchen der elektroschwachen Wechselwirkung, den Z- und W-Bosonen, zu einer Masse zu verhelfen. Dies funktioniert nur, wenn das Higgs-Teilchen eine Masse im Energiebereich der elektroschwachen Skala, also bei etwa 100 GeV besitzt. Theoretisch erhält das Higgs-Teilchen als skalares Teilchen mit Spin Null aufgrund von Quanteneffekten aber eine sehr große, quadratisch divergente Masse im Bereich der sehr hohen Planck-Skala, also extrem weit entfernt von der angestrebten elektroschwachen Skala. Man kann die Higgs-Masse allerdings dazu zwingen, den gewünschten Wert anzunehmen, indem man eine extreme Feinabstimmung interner Parameter der wirkenden Kopplungen bis auf 30 Nachkommastellen vornimmt. Innerhalb des Standardmodells bleibt einem nichts anderes übrig, als die Theorie gewissermaßen gewaltsam dahin zu biegen, dass alles zusammen passt. Dass die Natur zufällig für eine solche Feinabstimmung gesorgt haben könnte, ist hochgradig unwahrscheinlich. Das Standardmodell bleibt eine Erklärung hierfür aber schuldig.

Ein weiteres Problem des Standardmodells ist, dass es an der Aufgabe scheitert, eine Vereinigung der elektromagnetischen, schwachen und starken Wechselwirkung zu erreichen (Planckton-Blog zur „Weltformel”). Dafür würde man erwarten, dass die drei Wechselwirkungen bei hohen Energien gleich stark werden. Wenn man die Kopplungskonstanten der drei Kräfte über der Energie aufträgt, dann sieht man im Standardmodell, dass sich die Stärken der drei Wechselwirkungen tatsächlich mit zunehmender Energie annähern. Doch diese erfreuliche Tendenz täuscht, denn im Standardmodell laufen die drei Graphen frustrierend knapp aneinander vorbei und verfehlen einen gemeinsamen Schnittpunkt. Der Traum einer „Weltformel”, einer gemeinsamen Beschreibung aller physikalischen Kräfte, wäre damit bereits im Standardmodell gescheitert.

 Das Problem der dunklen Materie schließlich ist ein relativ offensichtliches: In der Astrophysik geht man im Rahmen des kosmologischen Standardmodells davon aus*, dass etwa 22 Prozent des Energie-Materiegehalts unseres Universums von einer Art Materie ausgemacht wird, von der man bisher im Wesentlichen nur weiß, dass sie gravitativ, aber nicht elektromagnetisch, wechselwirkt und sich von der uns bekannten Materie zu unterscheiden scheint. Im Rahmen des Standardmodells ist für dunkle Materie aber kein Platz, es gibt keine Standardmodellteilchen, mithilfe derer man die beobachtete dunkle Materie verstehen könnte.

Etwa 22 Prozent des Energie-Materiegehalts unseres Universums besteht 
dem kosmologischen Standardmodell zufolge aus dunkler Materie. Das 
teilchenphysikalische Standardmodell liefert aber keine Teilchen, die 
als Kandidaten solch dunkler Materie dienen könnten. Quelle: Nasa

Es gibt jedoch eine theoretische Erweiterung des Standardmodells, die all diese Probleme auflösen kann: die Supersymmetrie, kurz Susy. Die Grundidee der Supersymmetrie liegt darin, eine Symmetrie einzuführen, die Fermionen in Bosonen zu überführen vermag, also Teilchen mit halbzahligem Spin wie Elektronen oder Quarks in Teilchen mit ganzzahligem Spin wie Photonen oder Higgs-Bosonen. Aus dieser Forderung ergibt sich, dass die Teilchen des Standardmodells durch jeweils ein supersymmetrisches Partnerteilchen, den Superpartner, ergänzt werden müssen, das die gleiche Masse und die gleichen Quantenzahlen besitzt. Diese Erweiterung des Standardmodells verhindert durch supersymmetrische Zusatzterme ganz natürlich die quadratische Divergenz der Higgs-Masse und löst damit das Hierarchieproblem. Gleichzeitig bewirken supersymmetrische Effekte ein Abknicken der Wechselwirkungsgraphen (siehe Abbildung), so dass ein gemeinsamer Schnittpunkt als Voraussetzung für eine große vereinheitlichte Theorie erreicht werden kann. Schließlich gibt es innerhalb von Susy gleich mehrere Kandidaten für dunkle Materie. Am aussichtsreichsten scheint das Neutralino zu sein, Superpartner der Eich- und Higgs-Bosonen.

Darüber hinaus kann Susy die elektroschwache Symmetriebrechung erklären, das heißt den Mechanismus, der für die Verschiedenheit von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung sorgt. Dieser Mechanismus hängt mit der Form des Higgs-Potentials zusammen, die im Standardmodell wiederum ad hoc eingeführt wird, und die sich erst innerhalb von Susy von selbst ergibt. Schließlich gibt es noch ein mathematisch-ästhetisches Argument für die Gültigkeit der Supersymmetrie: Susy ist die einzige Raum-Zeit-Symmetrie, die zusätzlich zur Lorentzsymmetrie überhaupt möglich ist, das heißt zu einer nicht-trivialen Theorie führt. Die Vorstellung, dass es neben der Lorentzsymmetrie eine mögliche Raum-Zeit-Symmetrie in der Natur gibt, die nicht realisiert wurde, scheint für Theoretiker eher unplausibel.

Die Vereinheitlichung der Kräfte scheitert im Standardmodell, die 
Graphen der Kopplungskonstanten von starker (alpha1), schwacher 
(alpha2) und elektromagnetischer Kraft (alpha3)
  laufen aneinander vorbei (oben). Supersymmetrie kann dieses Problem 
beheben (unten). (Quelle: Dimopoulos et al. 1991, Physics Today, 
American Institute of Physics).

 All dies spricht scheinbar recht eindeutig dafür, Susy als Erweiterung des Standardmodells anzunehmen. Die Stringtheorie als Quantengravitationstheorie baut beispielsweise bereits auf der Annahme von Supersymmetrie auf. Experimentelle Hinweise für Susy zu finden, wird daher (neben der Suche nach Higgs, Extradimensionen sowie dem Verständnis von dunkler Energie und Materie) als eines der fünf Kernthemen der Grundlagenforschung am LHC aufgeführt. Allerdings hat die Suche bisher keine Hinweise auf Susy eingebracht. Supersymmetrische Teilchen entziehen sich entgegen aller Hoffnungen bislang hartnäckig ihrer Entdeckung. Es stellt sich daher die Frage, ab welchem Zeitpunkt die experimentellen Fakten so stark gegen Susy sprechen, dass man sich trotz aller Vorzüge der Supersymmetrie nach etwas anderem umschauen muss. Mit Popper gesprochen: Wann kann man sagen, dass Susy falsifiziert wurde?

Diese Frage ist leider nicht so einfach zu beantworten, der Teufel steckt wie so oft im Detail. Das Problem beginnt damit, dass Susy eine gebrochene Symmetrie ist, ansonsten hätten die Superpartner die gleichen Massen wie die Teilchen des Standardmodells und wären schon lange beobachtet worden. Wie der Übergang von gültiger Susy zu nicht-gültiger beziehungsweise gebrochener Susy vor sich geht, ist dabei unverstanden. Man weiß nur, dass die Brechung nicht so einfach funktioniert, wie man sie bei der spontanen, elektroschwachen Symmetriebrechung im Standardmodell kennt. Um empirische Vorhersagen treffen zu können, kommt man aber nicht umhin, den Susy-Brechungsmechanismus zu beschreiben. Aus dem Unverständnis heraus ergibt sich daher der unschöne und relativ brutal anmutende Weg, dass einfach erstmal alles in Betracht gezogen wird, was Susy brechen könnte, ohne dass die Lösung des Hierarchieproblems rückgängig gemacht wird. Diese Methode des „Soft Susy breaking” bringt eine große Anzahl neuer, theoretisch nicht festgelegter Parameter mit sich.

Das auf diese Weise erzeugte Modell wird minimales supersymmetrischen Standardmodell (MSSM) genannt. Während sich das Standardmodell ohne Supersymmetrie bereits mit 19 Parametern, wie z.B. den nicht festgelegten Massen der Elementarteilchen, herumschlagen muss, erhöht sich durch eine solche Herangehensweise die Zahl der freien Paramter auf 124. Eine so große Anzahl freier Parameter erschwert nun aber genau das, was man ursprünglich angestrebt hatte: die Möglichkeit konkreter Vorhersagen. Daher macht man wiederum verschiedene Annahmen um die Anzahl freier Parameter einzuschränken und erhält dadurch verschiedene Klassen von Susy-Modellen. Eines der populärsten Modelle heißt „constraint MSSM”  (cMSSM). Unter anderem nimmt man darin an, dass alle skalaren Susy-Teilchen und alle Fermionen bei hohen Energien die gleiche Masse haben. Unter diesen Voraussetzungen erhält man schließlich ein Susy-Modell mit lediglich fünf freien Parametern. An diesem Punkt kann nun endlich sinnvoll die Frage gestellt werden: Wie verhält sich das cMSSM zu den bisherigen LHC Ergebnissen? Wie lange noch kann man von der Gültigkeit eines cMSSM-Modells ausgehen, wenn weiterhin keine supersymmetrischen Teilchen gefunden werden?

Michael Krämer, Professor am Institut für theoretische Teilchenphysik 
und Kosmologie an der RWTH Universität Aachen und Experte für Susy und 
deren Signaturen am LHC demonstriert den Effekt der schwachen Susy-Brechung.

Michael Krämer ist Professor am Institut für theoretische Teilchenphysik und Kosmologie an der RWTH Universität Aachen und erforscht Susy und deren Signaturen am LHC. Schon bevor es Daten vom LHC gab, beschäftigte er sich mit der Frage, bei welcher Energie supersymmetrische Teilchen gefunden werden müssen, damit das cMSSM weiterhin als gültig angenommen werden kann. Dabei wurden Modelle mit zwei empirischen Randbedingungen betrachtet: die Modelle sollen die richtige, das heißt. aus der Astrophysik ermittelte Häufigkeit von dunkler Materie liefern und gleichzeitig den experimentell mit sehr hoher Genauigkeit bestimmten Wert des anomalen magnetischen Moments vorhersagen. Letzteres tritt im Rahmen einer relativistischen Quantentheorie auf, wenn beschrieben wird, wie zum Beispiel ein Muon mit einem äußeren Magnetfeld wechselwirkt. Dabei scheint das anomale magnetische Moment experimentell einen anderen Wert zu besitzen, als im Standardmodell vorhergesagt – eine Diskrepanz die Susy erklären sollte.

„Wir haben uns gefragt, was mit dem einfachen und sehr populären cMSSM-Modell passiert, wenn am LHC nichts gefunden wird. Wenn die Massen der Susy-Teilchen sehr hoch gewählt werden, kann irgendwann das anomale magnetische Moment nicht mehr erklärt werden, und ab einem gewissen Punkt wird es auch mit der dunklen Materie ein Problem. Aber wir finden, dass man selbst mit den Grenzen, die man Ende diesen Jahres erreichen wird, das Modell noch nicht so stark in die Bredouille bringt”, berichtet Krämer. Schwierig wird es für das cMSSM-Modell erst, wenn auch im zweiten LHC Run ab 2013 bei 14 TeV noch nichts gefunden wird. Doch selbst dann könnte man die Supersymmetrie noch weiter am Leben erhalten, wenn man ein Susy-Modell mit weniger starken Annahmen als das cMSSM betrachtet.

Die Auflösung des Hierarchieproblems geht in die von Krämer und seiner Gruppe gerechneten Modelle nicht als Randbedingung mit ein, aber man kann davon unabhängig sagen, dass insbesondere das Stop und das Gluino zur Lösung des Hierarchieproblems relativ leicht sein sollten. „Wenn man das Hierarchieproblem lösen will, dann würde man bis zum Sommer erwarten, dass man das Stop hätte sehen können. Allerdings sind die speziellen Suchen nach dem Stop schwieriger als die generischen Suchen, die man zurzeit noch vornimmt. Die ersten Analysen werden jetzt aber vorgenommen und bis zum Sommer wird man diesbezüglich schon einiges diskutieren können”, so Krämer. „Die Frage ist, wie die Stops zerfallen, und diesbezüglich eine wirklich modellunabhängige Aussage zu machen, ist schwierig.” Doch auch wenn kein leichtes Stop gefunden würde, stünde immer noch der Ausweg offen, ein gewisses Maß an Finetuning zu akzeptieren, und damit das Hierarchieproblem gewissermaßen nicht zu lösen aber immerhin zu verbessern.

Interessanterweise ist die größte Gefahr für Susy aber an die Suche nach dem Higgs gekoppelt. Innerhalb von Susy gibt es fünf verschiedene Higgs-Bosonen, und es zeigt sich, dass das leichteste Higgs innerhalb des allgemeinen MSSM-Modells eine Masse unter 135 GeV besitzen muss. „Es gab Anfang letzten Jahres Gerüchte, man hätte ein Higgs-Signal bei 140 GeV gesehen. Da wurden alle Susy-Leute sehr nervös, denn wenn es so gewesen wäre, wäre das MSSM tot gewesen”, erinnert sich Krämer. Die im Dezember präsentierten Ergebnisse passen da schon besser ins Susy-Bild, auch wenn ein Higgs bei 124 GeV tendenziell schwerer ist, als Susy-Theoretiker erwartet hätten. Was genau die Existenz eines Higgs mit Standardmodelleigenschaften bei 124 GeV für Susy bedeuten würde, wird zurzeit ausgelotet. Die Erleichterung wäre jedenfalls groß, würde sich die Entdeckung eines leichten Higgs bis Ende dieses Jahres bestätigen. Andernfalls wäre das cMSSM, das populärste Susy-Modell, ausgeschlossen, was vermutlich dazu führen würde, dass viele Theoretiker sich in andere Richtungen orientieren würden. Auch Michael Krämer hatte im Susy-Stimmungstief vor der Dezemberpräsentation am Cern bereits einen Blick auf alternative Theorien geworfen. „Ich hatte schon angefangen, mich mit Modellen eines zusammengesetzten Higgs auseinander zu setzen, um mir ein Türchen offen zu halten”, berichtet Krämer. Seit Dezember gibt es nun aber wieder allen Grund zur Hoffnung, dass diese Vorsichtsmaßnahme sich als unnötig herausstellen wird.

Sicher ist, dass 2012 ein äußerst aufregendes Jahr für die Teilchenphysik werden wird. Und Susy scheint es, nach einer zwischenzeitlichen nervösen Schwächephase in 2011, in diesem Jahr zumindest wieder besser zu gehen.

*Anmerkung: “im Rahmen des kosmologischen Standardmodells” nachträglich ergänzt