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Auf der Suche nach Super-Susy

VON ROBERT GAST

Was hält das Universum zusammen? Was passierte nach dem Urknall? Physiker suchen nach Antworten - in Gestalt exotischer Teilchen. Finden sie 2012 keine, droht das Ende einer Ära.

Auf der Suche nach Super-Susy - Supersymmetrische-Teilchen© Sergii Tsololo - iStockphoto.com»Supersymmetrie« eine elegante Theorie, um die Lücken im gängigen Weltbild der Physik zu füllen - aber stimmt sie auch?
Man könnte die Geschichte der Teilchenphysik als Märchen erzählen. Eine Gruppe Naturforscher stürmt in einen Wald, um dort alles genauestens zu vermessen; Stämme, Blätter, Wurzeln. Staunend lernen die Wissensdurstigen, dass Bäume wachsen, wenn man ihre Wurzeln wässert. Aber warum sind die Blätter grün? Egal, wie viele Messreihen die Forscher durchführen, mit Gießkanne und Zollstock können sie es nicht herausfinden. In der Dämmerung sinken sie erschöpft zu Boden, frustriert von der Komplexität der Natur. Da kommt einem die rettende Idee: Es muss eine Fee sein, die die Blätter heimlich grün anmalt! Eine Fee, Susy soll sie heißen. Lasst sie uns suchen, ruft ein anderer. Und so springen die Forscher auf und stürmen fackelschwingend ins Dickicht.

Susy, die »Supersymmetrie«, das ist die rettende Fee der Teilchenphysiker. Sie würde ihnen helfen, endlich den Kosmos zu erklären. Susy soll das bisherige wackelige Weltmodell der Physiker mit Stützen versehen - dabei ist das alte Schema noch nicht einmal vollständig. Denn dort wird seit Jahrzehnten nach einem Kobold gefahndet. Selbst physikalische Laien kennen ihn als außerordentlich schreckhaftes Elementarteilchen: Higgs heißt er. Niemand hat ihn gesehen. Heimlich hängt er einigen anderen Elementarteilchen Gewichte an. Er soll, so heißt es immer wieder, das letzte fehlende Teil im Theoriegebäude der Physik sein.

Mit faszinierender Präzision erklärt das sogenannten Standardmodell der Teilchenphysik, woraus Atomkerne bestehen, weshalb sie mal zusammenhalten und mal zerfallen. Nur den scheuen Kobold, das Higgs-Teilchen, muss man noch aufspüren: Ein riesiger Teilchenbeschleuniger am Genfer Kernforschungszentrum Cern, der Large Hadron Collider (LHC), hat seine Fährte Ende 2011 tatsächlich aufgenommen. Die Forscher müssen nur noch ausschließen, dass sie einem Schatten nachjagen. In wenigen Monaten könnten sie das Higgs dingfest gemacht haben. Zwar wäre das Standardmodell dann vollständig - und gleichsam wären alle Bäume vermessen. Aber längst wissen die Physiker: Es kann nicht die komplette Natur beschreiben. Sie müssen auch die Fee Susy aus dem Gehölz locken. Von Susy aber fehlt jede Spur. Dabei hatten die meisten Forscher damit gerechnet, dass sie sich irgendwo am Waldrand versteckt. Es geht um die Zukunft der Disziplin: Hinweise auf die Existenz der Supersymmetrie wären die weitreichendste Entdeckung der modernen Teilchenphysik. Finden die Physiker jedoch nur Higgs, droht die Bedeutungslosigkeit. Das Bestreben, ins Innerste der Welt zu blicken, liefe in die Sackgasse - ebenso wie die Hoffnung, ihren Ursprung zu verstehen.

Auf der Suche nach Super-Susy © ZEIT-Grafik Die Theorie der "Supersymmetrie" postuliert: Jedes bislang bekannte Elementarteilchen hat einen noch unentdeckten, schwergewichtigen Partner. Mit diesen Spiegelteilchen ließe sich unser Universum besser erklären. Erzeugen könnte sie auf der Erde nur ein Teilchenbeschleuniger
»Wir wissen viel über das Universum, aber weitaus mehr wissen wir nicht«, resümierte die Kosmologie-Ikone Michael Turner im Februar auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. Sobald man durchs Teleskop ins All blickt, ergeben die alten Naturgesetze keinen Sinn mehr: Die spiralförmigen Arme der Milchstraße drehen sich schneller, als sie dürfen. Riesige Galaxien-Cluster schweben im Universum, obwohl die Schwerkraft zwischen den Sternen so gering ist, dass die Millionen Lichtjahre messenden Gebilde auseinanderfliegen müssten. Warum halten sie trotzdem zusammen? Die Antwort der Physiker folgt einem bewährten Muster: Wenn man nicht weiterweiß, erfindet man einfach ein neues Elementarteilchen. Es soll vier Fünftel der Materie im Universum ausmachen! Aber es reflektiert kein Licht und bleibt unseren Sinnen verborgen. Wie Luft ein Leinentuch durchdringt es den Kosmos, nur seine Schwerkraft wirkt auf gewöhnliche Materie. Gewaltige Klumpen dieser »Dunklen Materie« bringen die Arme der Milchstraße auf Tempo und halten Galaxienhaufen zusammen. Woraus sie besteht und ob sie überhaupt existiert, weiß allerdings niemand.

Kopfschmerzen bereitet Physikern außerdem die Geburt des Universums. Die ersten Sekundenbruchteile nach dem Urknall kann sowohl Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie als auch das Standardmodell beschreiben - sie kommen aber zu fundamental unterschiedlichen Ergebnissen. Für sich genommen, halten diese beiden Säulen der modernen Physik jeder experimentellen Überprüfung stand. Eine übergeordnete Theorie, die sie zusammenfasst, lässt jedoch seit Jahrzehnten auf sich warten. Das frustriert. Die moderne Physik gleiche einer »heruntergekommenen Struktur aus isolierten Modellen, die durch schiefe Erklärungen notdürftig miteinander verbunden sind«, konstatierte kürzlich der Theoretiker Tony Rothman von der Princeton-Universität in einem Aufsatz. Die Supersymmetrie würde eine ganze Reihe von Ungereimtheiten beseitigen. Dabei macht sie Dinge auf den ersten Blick wesentlich komplizierter. Sie sagt die Existenz einer Fülle neuer Elementarteilchen voraus. Jedem der bisher entdeckten Materiebausteine würde die Supersymmetrie noch ein Partnerteilchen bescheren. Statt 17 Klötzen würde der Bauplan des Universums 34 umfassen. Zum Elektron gäbe es das »Selektron«, zu den sechs Quarks, aus denen Atomkerne aufgebaut sind, sechs »Squarks«. Die Susy-Teilchen müssten jedoch deutlich massereicher als ihre Spiegelbilder sein (siehe Kasten), und sie würden schnell zerfallen. In großen Mengen hätte es sie nur kurz nach dem Urknall gegeben.

Nur eines, das leichteste Susy-Teilchen, wäre stabil und würde noch heute das Universum füllen. Es wäre ein traumhafter Kandidat für die Dunkle Materie. Seine nach dem Big Bang verblichenen Geschwister aber könnten den Gelehrten ein zweites Rätsel erklären: wie sich damals eine Urkraft in drei der vier Grundkräfte im Universum (Elektromagnetismus, schwache und starke Kernkraft) aufspaltete. Mysteriös bliebe dann zwar weiterhin, wie die von Einsteins Relativitätstheorie beschriebene Gravitationskraft ins Bild passt. Aber sie könnte mithilfe einer noch ambitionierteren Theorie eingebunden werden: Mancher Theoretiker sähe in Susy einen Hinweis darauf, dass das Universum bis zu elf Dimensionen besitzt, von denen alle außer dreien zu winzigen Fäden aufgerollt sind. Diese sogenannte Stringtheorie ist experimentell nicht überprüfbar, sie stützt sich jedoch auf die Annahme der Susy. Zu guter Letzt würde die Supersymmetrie einen Makel des Standardmodells beseitigen. Denn das Gewicht des Higgs-Teilchens lässt sich bisher nur mithilfe von mathematischer Trickserei korrekt vorhersagen. Verzichtet man auf diese Feinjustierung, ist das Higgs nicht mehr etwas schwerer als ein Zinn-Atom, wie jetzt die Messungen am LHC nahelegen, sondern könnte auch so schwer wie ein ganzer Wolkenkratzer sein. Die Annahmen der Supersymmetrie hingegen erlauben eine elegante Herleitung der gemessenen Higgs-Masse.

Die Finesse, mit der die Supersymmetrie Lücken im Weltmodell schließt, begeistert die Gelehrten. »Es ist eine wunderschöne Theorie«, sagt Wilfried Buchmüller vom Deutschen Elektronen-Synchrotron Desy in Hamburg. Der Theoretiker hat in den achtziger und neunziger Jahren mehrere Beschleuniger-Generationen kommen und gehen sehen. Jedes Mal war die Hoffnung unter seinen Kollegen groß, dass man Susys Spuren finden würde. Aber stets wurden die Erwartungen enttäuscht. Nun schaut alles gebannt nach Genf, zur »Entdeckungsmaschine«. Bevor sie in Betrieb ging, war man sich sicher: Der LHC wird Susy schnell aufspüren. In dem 27 Kilometer langen Tunnel unter der Erde kreisen lichtschnelle Atomkerne, bei ihrer Kollision wird Energie in Masse umgewandelt. So entstehen zig Teilchen, die meisten davon alte Bekannte wie Elektronen, Photonen oder Neutrinos. Jedes hinterlässt ein individuelles Signal in den haushohen Detektoren. Mithilfe dieser Trümmer lässt sich rekonstruieren, ob für einige Sekundenbruchteile auch unbekannte Partikel erzeugt wurden. Das Higgs-Teilchen etwa zerfällt offenbar unter anderem in zwei Photonen. Die monatelange Auswertung von Millionen Kollisionen verrät, ob sich dieses Signal ein wenig häufiger zeigt, als man ohne Higgs erwarten würde. Susy-Teilchen müssten ähnlich aufwendig nachgewiesen werden. Bisher läuft die Suche aber ins Leere. »Wir sehen nichts von Susy, aber wir geben nicht auf«, heißt es beim Cern.

Doch die Fee hat viele Kleider. Die Physiker können die Theorie ständig verändern, etwa wenn Beschleuniger die Teilchen nicht dort finden, wo sie sein sollten. So gibt es viele Susy-Modelle, die jeweils eine andere Masse der hypothetischen Partnerteilchen vorhersagen. Die populärsten Modelle hat der LHC bereits zu Grabe getragen. »Wir wissen jetzt, dass einige der einfachsten Susy-Modelle nicht existieren«, sagt Johannes Haller von der Universität Hamburg, der an den Messungen beteiligt ist. So bleiben immer weniger Verstecke für Susy übrig. Im Internet schreiben sich anonyme Teilchenphysiker ihren Frust von der Seele. »In einem Jahr wird der LHC die Hoffnung auf Susy zerschlagen haben«, orakelt einer. Auch prominente Forscher sind von der Theorie abgerückt: »Ich habe die Idee ursprünglich unterstützt, aber immer mehr den Glauben an sie verloren«, sagt der Nobelpreisträger Martinus Veltman. Seit 30 Jahren gebe es keine experimentellen Hinweise. »Ich bin ein Physiker, ich brauche experimentelle Daten, die meine Theorien verifizieren.«

Solche Ansichten gelten den Hardlinern als Häresie. In Teilen der Community sind Supersymmetrie und Stringtheorie heilige Konstrukte. Gegner der Theorie geraten schnell in die Gefahr, als Ketzer abgekanzelt zu werden. So etwa erging es dem Blogger »Jester«: Die Suche nach Susy werde immer mehr zur Misere, schrieb er neulich - und erntete prompt Pöbelei: »Warum kümmerst du dich nicht um anderen Dreck und überlässt Susy echten Physikern «, schrieb ein empörter Kommentator. Noch könnte die gute Fee aber alle Zweifler Lügen strafen. Im April kommt der LHC aus der Winterpause, bis Ende des Jahres soll er dreimal so viele Daten sammeln wie 2011. Dann folgt eine Umbauphase, ehe die Maschine von 2014 an Atomkerne mit noch größerer Energie aufeinanderjagen wird. »Wenn wir einige Susy-Teilchen am LHC fänden, bräche ein goldenes Zeitalter für die Teilchenphysik an«, sagt Johannes Haller.

Doch wenigstens Susys Rockzipfel müsse bis Ende dieses Jahres zu erblicken sein, findet der Desy-Theoretiker Wilfried Buchmüller: »Sieht man in diesem Jahr nirgendwo eine kleine Abweichung vom Standardmodell, wird es schwierig für die Supersymmetrie.« Über kurz oder lang stünde der gesamte Forschungszweig auf dem Spiel. Der Beschleuniger am Cern würde zum Auslaufmodell, die Finanzierung eines Nachfolgers wäre ausgeschlossen. Ob sich Susy doch noch irgendwo versteckt hält, bliebe für immer ein Geheimnis. »Wenn sich die Supersymmetrie nicht zeigt, werde ich an etwas anderem arbeiten«, sagt Buchmüller. Andere Naturforscher würden weiter im Wald nach Fabelwesen suchen. Wer weiß, vielleicht finden sie ja eines Tages ein anderes. Sicher wäre es aber nicht so schön wie Susy.

Aus DIE ZEIT :: 15.03.2012

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