So könnte ein Teilchen die Stringtheorie widerlegen
Könnte ein einziges Teilchen die Stringtheorie widerlegen? Forschende testen das Fundament unserer physikalischen Welt neu.
Physiker suchen im LHC nach einem seltenen Fünf-Teilchen-Signal, das laut Stringtheorie nicht existieren dürfte. Sollte es gefunden werden, könnte dies jahrzehntelange Theorien auf den Kopf stellen – und neue Einblicke in die Dunkle Materie liefern.
Foto: Smarterpix / sakkmesterke
In der modernen Physik herrscht eine tiefe Kluft zwischen zwei Weltbildern. Auf der einen Seite steht das Standardmodell, das nahezu alle bekannten Teilchen und ihre Wechselwirkungen beschreibt. Auf der anderen Seite steht Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die Gravitation als geometrische Eigenschaft der Raumzeit erklärt. Beide Theorien funktionieren hervorragend – nur leider nicht miteinander.
Seit Jahrzehnten versuchen Forschende, diese beiden Ansätze in einer gemeinsamen Theorie zu vereinen. Die Stringtheorie ist bislang eine der bekanntesten Kandidatinnen. Sie geht davon aus, dass alle Teilchen keine punktförmigen Objekte sind, sondern winzige, vibrierende Fäden – Strings. Je nachdem, wie diese Strings schwingen, erscheinen sie als Elektronen, Quarks oder Photonen. Auch die Gravitation ließe sich so in die Sprache der Quantenphysik übersetzen.
Doch die Sache hat einen Haken.
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Zu flexibel für die Realität?
Die Stärke der Stringtheorie ist zugleich ihre Schwäche: Sie ist mathematisch sehr flexibel. So flexibel, dass sie fast jede denkbare Welt erklären könnte. Diese Vielfalt an Lösungen – oft als „Landschaft“ bezeichnet – macht es extrem schwierig, konkrete Vorhersagen zu treffen. Eine Theorie, die alles erklären kann, lässt sich kaum testen – und gilt im streng naturwissenschaftlichen Sinn nicht als überprüfbar.
„Was wäre, wenn wir nicht fragen, was die Stringtheorie erklären kann – sondern was sie nicht erklären kann?“ Diese einfache, aber provokante Frage stellte sich ein Team um den Physiker Jonathan Heckman von der University of Pennsylvania. Gemeinsam mit Rebecca Hicks und Kolleg*innen entwickelte er ein Testszenario, das genau hier ansetzt.
Ein Teilchen, das nicht auftauchen dürfte
Im Fokus der Studie steht eine hypothetische Teilchenfamilie: das sogenannte 5-Plet. Es handelt sich um fünf miteinander verwandte Teilchen, die gemeinsam eine mathematische Einheit bilden. Das Besondere: In keiner bekannten Version der Stringtheorie taucht ein solches 5-Plet in isolierter Form auf. Sollte es in einem Experiment entdeckt werden, wäre das ein Problem für die Theorie – ein ernsthaftes.
„Wir haben alle unsere Werkzeuge durchforstet, aber dieses fünfteilige Paket taucht einfach nicht auf“, sagt Heckman. Seine Kollegin Hicks vergleicht es mit einem Fastfood-Menü: „Das ist, als würde man bei McDonald’s einen Whopper bestellen wollen – der steht dort einfach nicht auf der Karte.“
Das gesuchte Teilchen ist ein sogenanntes Majorana-Fermion. Es hat eine Besonderheit: Es ist sein eigenes Antiteilchen. Ein solches Teilchen könnte auch eine Erklärung für die dunkle Materie liefern – jene unsichtbare Masse, die etwa 85 % der Materie im Universum ausmacht.
Warum es bisher nicht entdeckt wurde
Doch warum ist das 5-Plet bisher nicht aufgefallen? Die Antwort liegt in seiner Masse und seiner Flüchtigkeit. Die Teilchen könnten bis zu 10.000 Mal schwerer sein als ein Proton. Damit ihre Produktion im Large Hadron Collider (LHC) gelingt, müssen Protonen mit sehr hoher Energie aufeinanderprallen – je schwerer das Teilchen, desto seltener tritt es auf.
Selbst wenn das gelingt, wird es nicht leicht, die Spuren zu finden. Denn das 5-Plet zerfällt sehr schnell – in fast unsichtbare Teilchen. „Die schwereren Zustände zerfallen in ein weiches Pion und ein unsichtbares neutrales Teilchen“, erklärt Hicks. Das neutrale Teilchen hinterlässt im Detektor keine Spur. Das Pion hat so wenig Energie, dass es kaum messbar ist. Das Ergebnis: eine Spur, die mitten im Detektor abrupt endet – wie Fußspuren im Schnee, die plötzlich verschwinden.
Was die Detektoren sehen – und was nicht
Genau diese verschwindenden Spuren – „disappearing tracks“ – sind es, nach denen die Detektoren ATLAS und CMS am LHC suchen. Beide Geräte umgeben das Kollisionszentrum wie riesige Digitalkameras. Sie messen, was passiert, wenn zwei Protonen mit hoher Geschwindigkeit zusammenstoßen.
Hicks ist Teil der ATLAS-Kollaboration. Gemeinsam mit ihrem Team hat sie bestehende Daten neu analysiert. Sie suchte nach Hinweisen auf das 5-Plet in bereits vorhandenen Suchläufen – etwa denen, die für sogenannte Charginos vorgesehen waren. Das Ergebnis: Bisher wurde kein 5-Plet gefunden. Aber das ist keine schlechte Nachricht.
„Wir können jetzt mit Sicherheit sagen, dass es kein 5-Plet mit einer Masse unter 650 bis 700 GeV gibt“, sagt Hicks. Das entspricht etwa dem Fünffachen des Higgs-Bosons. Leichtere 5-Plets sind damit ausgeschlossen. Doch schwerere könnten durchaus noch existieren.
Ein möglicher Schlüssel zur dunklen Materie
Die Suche nach dem 5-Plet ist nicht nur ein Test für die Stringtheorie. Sie könnte auch ein neuer Weg sein, die dunkle Materie zu verstehen. Sollte sich zeigen, dass das neutrale Mitglied des 5-Plets stabil ist und nur sehr selten mit anderer Materie reagiert, wäre es ein idealer Kandidat für dunkle Materie.
„Wenn wir ein 5-Plet nachweisen, ist das ein doppelter Gewinn“, sagt Hicks. „Wir hätten wichtige Vorhersagen der Stringtheorie widerlegt und gleichzeitig neue Hinweise auf dunkle Materie gefunden.“
Ein Stresstest für das Fundament der Physik
Die Forschenden sind sich einig: Ihr Ziel ist nicht, die Stringtheorie zu zerstören. Sie wollen herausfinden, ob sie standhält. „Wir hoffen nicht, dass die Stringtheorie scheitert“, sagt Hicks. „Wir unterziehen sie einem Stresstest.“
Und selbst wenn sie versagt, wäre das kein Rückschlag, sondern ein Fortschritt. Denn jede falsifizierte Theorie bringt die Wissenschaft einen Schritt weiter. Oder wie Heckman es ausdrückt: „Wenn die Stringtheorie scheitert, werden wir etwas Tiefgreifendes über die Natur lernen.“
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