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Physiker suchen nach Unteilchen

Was in aller Welt sind Unteilchen? Ihr „Erfinder“, Prof. Howard Georgi von der Harvard-Universität in Cambridge, Massachusetts, der im Juni 2007 die mögliche Existenz der Unteilchen voraussagte, antwortete darauf im Januar 2008 während eines Vortrages, den er vor Kollegen in Irvine, Kalifornien, hielt: „Die Frage ist zu schwer!“ Aber er weiß zumindest, wie sich „seine“ Unteilchen bei zukünftigen Experimenten im Großen Hadronenbeschleuniger LHC im Europäischen Labor für Teilchenphysik CERN bemerkbar machen könnten: Es würde so aussehen, als ob bei diesen Experimenten Bruchstücke von masselosen Teilchen fehlen würden. Andere Forscher haben inzwischen untersucht, ob die von den Astronomen vermisste Dunkle Materie durch eine von den Unteilchen ausgeübte „Ungravitation“ ersetzt werden könnte, wie das britische Wissenschaftsmagazin New Scientist berichtet.

Wie kommt ein Physikprofessor auf die Idee, die Existenz von etwas vorauszusagen, das noch nie in Experimenten beobachtet wurde, und von dem er selber nicht einmal vollständig versteht, was es eigentlich genau ist? Die Antwort ist einfach und kurz: Georgi sagt die Existenz der Unteilchen voraus, weil sie mathematisch möglich ist. Dieses Vorgehen gehört zu den grundlegenden Erfolgsrezepten der Physik. Man versucht, aufgrund von bestehenden Theorien und experimentellen Ergebnissen neue Vorhersagen zu machen, und prüft dann, ob sie experimentell bestätigt werden können. „Es scheint nicht sehr wahrscheinlich zu sein, dass solch ein ‚Zeugs’, das sich von allem unterscheidet, was wir bisher kennen, tatsächlich existiert und uns bisher verborgen geblieben ist“, schreibt Georgi in seiner Originalveröffentlichung. „Wir sollten experimentell herausfinden, ob es dieses ‚Unteilchen-Zeugs’ wirklich gibt. Aber woran werden wir es erkennen, wenn wir es finden?“ Diese Frage hat Georgi untersucht und beantwortet.

Auf die Unteilchen gestoßen war Georgi, als er untersuchte, ob man die Standardtheorie der Teilchenphysik so erweitern könnte, dass man so genannte skaleninvariante Teilchen erhält, die eine von Null verschiedene Masse haben. „Skaleninvarianz“ bedeutet, dass man grundlegende Messgrößen eines Objektes maßstabsgerecht vergrößern oder verkleinern kann, ohne dadurch seine wichtigsten Eigenschaften zu ändern. Bei masselosen Teilchen wie beispielsweise dem Photon funktioniert das ohne Probleme. Doch bei Teilchen, die wie ein Elektron Masse haben, geht das nicht. Man kann nicht gleichzeitig Größen wie Zeit, Entfernungen, Energie und Impuls vergrößern oder verkleinern, ohne dabei die Masse des Teilchens zu ändern.

Doch Georgi stieß auf eine mathematische Möglichkeit, skaleninvariante Felder einzuführen. Felder sind in der Physik Strukturen, die jedem Punkt im Raum bestimmte physikalische Größen zuordnen. In der Quantenfeldtheorie ergeben sich die physikalischen Teilchen als eine Art „Knoten“ in diesen Feldern. Nun ist es so, dass zu jedem physikalischen Teilchen ein entsprechendes Teilchenfeld existiert. Aber nicht jedes Feld hat Eigenschaften, die es erlauben, Teilchen hervorzubringen. Genau solch ein Feld hatte Georgi in einem Fachartikel entdeckt, den die beiden Physiker Tom Banks und A. Zaks im Jahr 1982 verfasst hatten. Diese Banks-Zaks-Felder besaßen genau die Skaleninvarianz, nach der Georgi gesucht hatte. Doch sie waren ganz offensichtlich keine Teilchenfelder.

Nun macht die Vorhersage von etwas physikalisch Neuem natürlich nur dann Sinn, wenn man sagen kann, wie dieses Neue sich in unserem Universum oder bei physikalischen Experimenten bemerkbar macht. Georgi geht davon aus, dass die Banks-Zaks-Felder in unserer normalen Umgebung nicht mit den bekannten physikalischen Teilchen wechselwirken. Damit sind diese Felder für uns nicht nur unsichtbar, sondern haben bei unseren Umgebungsbedingungen keinerlei Auswirkungen. Jedoch ergab Georgis Analyse, dass die Banks-Zaks-Felder bei hohen Energien, wie sie der Große Hadronenbeschleuniger LHC im CERN erzeugen wird, mit den bekannten Teilchen wechselwirken. Der LHC wird voraussichtlich in diesem Jahr seinen Betrieb aufnehmen.

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Da man die Banks-Zaks-Felder – nach bisherigem Wissen – nicht direkt messen kann, würde sich diese Wechselwirkung nur dadurch bemerkbar machen, dass man bei Stoßexperimenten Energie „vermisst“. Bei solchen Stoßexperimenten schießt man physikalische Teilchen aufeinander. Aus der Kollisionsenergie entstehen dann oft neue Teilchen, die man in Detektoren auffängt. Dann stellt man eine Energierechnung auf und prüft, ob die Summe der Energien der aufgefangenen Teilchen der Energiesumme der aufeinandergeschossenen Teilchen entspricht. Falls nicht, weiß man, dass „etwas“ fehlt, das von den Detektoren offensichtlich nicht aufgefangen wurde.

Das Ergebnis von Georgis Rechnung für das, was fehlen würde, wenn denn die Banks-Zaks-Felder tatsächlich existieren, ist kurios: Es würde so aussehen, als ob dieses „etwas“ die Bruchstücke vieler masseloser Teilchen wäre. Diesem kuriosen „etwas“ gab Georgi die Bezeichnung „Unteilchen“.

Georgis Veröffentlichung im Juni 2007 hat bei Physikern eine ungewöhnlich hohe Resonanz hervorgerufen. Inzwischen sind eine Vielzahl von Fachartikeln zu den Unteilchen geschrieben worden, darunter eine Arbeit von Haim Goldberg und Pran Nath von der Northeastern-Universität in Boston, Massachusetts. Die beiden haben die Kraft berechnet, die die Unteilchen im Universum auf die gewöhnliche Materie ausüben würde. Sie kommen zu dem Ergebnis, dass diese Kraft die Gravitation ein wenig stärker erscheinen lassen würde als sie tatsächlich ist. Sie nennen diese Kraft folgerichtig „Ungravitation“ und schließen, dass die Ungravitation die Dunkle Materie ersetzen könnte. Die Existenz der Dunklen Materie ist von den Astronomen postuliert worden, weil die von der gewöhnlichen Materie ausgeübte Gravitation nicht ausreicht, um viele Bewegungen in und von Galaxien zu erklären.

Zeeya Merali: “The Un-universe”, New Scientist, 26 January 2008, 32-36 Howard Georgi: “Unparticle Physics”, Physical Review Letters 98 (2007), 221601 und arXiv.org, hep-ph/0703260 Haim Goldberg und Pran Nath: “ Scalar modifications to gravity from unparticle effects may be testable”, arXiv.org, 0706.3898 Axel Tillemans
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