Schwerpunkt

Großfahndung im Untergrund

Erste Ergebnisse der direkten Suchen nach neuen Teilchen am Large Hadron Collider

  • Sascha Caron, Sandra Kortner und Peter Schleper
  • 04 / 2012 Seite: 55

Ein zentrales Motiv für den Bau des LHC war die ­Suche nach neuen Elementarteilchen und Wechselwirkungen. Dazu zählen insbesondere das Higgs-Boson, der letzte fehlende Baustein des Standardmodells, sowie Teilchen, die von supersymmetrischen Erweiterungen des Standardmodells vorhergesagt werden.

Zu den ungeklärten Rätseln der Teilchenphysik gehört die Frage nach dem Ursprung der Masse der Elementarteilchen. Obwohl die mathematische Struktur des Standardmodells eigentlich nur masselose Teilchen vorsieht, haben z. B. die Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung, die W+-, W–- und Z0-Bosonen, eine Masse von 80 beziehungsweise 91 GeV/c2. Das Standardmodell beruht auf der Hypo­these, dass der sog. Higgs-Mechanismus Teilchen ­ihre Masse verleiht. Dieser Mechanismus sagt außerdem ein neues Teilchen voraus, das Higgs-Boson. Die experimentelle Suche nach diesem entscheidenden fehlenden Baustein im Mosaik des Standardmodells ist zentral für das Forschungsprogramm des LHC.

Das zweite ungeklärte Rätsel ist die Frage, was jenseits des Standardmodells kommt. Bisher beschreibt das Standardmodell alle beobachteten Wechselwirkungen der Elementarteilchen, eine durchaus bemerkenswerte wissenschaftliche Errungenschaft. Von einer fundamentalen Theorie der Natur ist es jedoch noch weit entfernt, denn die Liste seiner unerklärten Eigenschaften ist recht lang: Auffällig ist zunächst seine Struktur mit drei fundamentalen Kräften und mit drei Generationen von Leptonen und Quarks. Weder für diese Struktur noch für die damit verbundenen Zahlenwerte der Naturkonstanten (Massen, Kopplungskonstanten, ...) gibt es im Standardmodell eine Erklärung. Auch ist fraglich, ob diese Theorie bei sehr hohen Energien gültig sein kann, denn hierfür müssten einige Parameter sehr präzise Werte annehmen. Eine solche Feinjustierung – auch als Hierarchieproblem bekannt – gilt vielen Physikern als unnatürlich. Zudem ist es bisher nicht gelungen, das Standardmodell mit der Gravitation in einer gemeinsamen Theorie zu verknüpfen. Eine Erklärung für die Beobachtung Dunkler Materie und Dunkler Energie im Universum fehlt ebenfalls. Diese Mängelliste ließe sich noch fortsetzen.

Aus diesen Gründen wurde in den letzten Jahrzehnten eine Vielzahl von Erweiterungen des Standardmodells vorgeschlagen. Der prominenteste ­Kandidat ist die Supersymmetrie. Im Gegensatz zum Standardmodell, in dem alle Materieteilchen Fermionen mit Spin ½ sind und Bosonen mit Spin 1 alle Kräfte vermitteln, basiert Supersymmetrie auf dem Postulat einer Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen. Die damit vorhergesagten neuen Teilchen können jedoch viel schwerer als ihre Partner im Standard­modell sein, sodass sie in bisherigen Experimenten nicht zu entdecken waren. Falls das leichteste supersymmetrische Teilchen stabil ist, würde sich damit auch direkt die Existenz Dunkler Materie erklären lassen. ...

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