Seit letzter Woche läuft der große Teilchenbeschleuniger LHC nach einer langen Renovierungsphase wieder mit voller Kraft und produziert endlich wieder neue wissenschaftliche Daten. Die Energien die bei den Teilchenkollisionen im Beschleuniger erzeugt werden, erreichen nun einen Wert von 13 TeV (Tera-Elektronenvolt); sind also fast doppelt so hoch wie in der letzten Phase vor der Renovierung im Jahr 2013. So viel Energie wie am LHC kann derzeit in keinem anderen Beschleuniger der Welt erzeugt werden und die Wissenschaftler sind daher auch nicht umsonst optimistisch, in den nächsten Jahren große neue Entdeckungen zu machen. Die Entdeckung des lange gesuchten Higgs-Teilchens war ja nicht die einzige Aufgabe des LHC. Der Beschleuniger war zwar tatsächlich extra so konstruiert, dass man damit das Higgs entweder finden oder eindeutig seine Nicht-Existenz nachweisen konnte und es war von Anfang an klar, dass man ein Ergebnis bekommen wird, wenn es um das Higgs-Teilchen geht. Aber die Physikerinnen und Physiker wollen natürlich auch noch mehr wissen und entdecken: Man will zum Beispiel die Frage nach der Natur der dunklen Materie klären und die Teilchen entdecken, aus denen sie besteht. Aber natürlich hofft man auch, etwas völlig neues zu entdecken mit dem bisher niemand rechnet. Genau deswegen macht man ja diese Art der Grundlagenforschung. Und dann ist da noch die eine Frage, die immer wieder gestellt wird, wenn es um moderne Teilchenphysik geht: Kann der LHC einen Nachweis für die Gültigkeit der Stringtheorie liefern?

Bei meinem letzten Besuch am LHC im Jahr 2013 wurde noch renoviert

Bei meinem letzten Besuch am LHC im Jahr 2013 wurde noch renoviert

Der Stringtheorie wird ja gerne mal unterstellt, sie sei nur reine Fantasie – eben weil sie nicht experimentell überprüfbar ist. Das stimmt natürlich nicht. Die Stringtheorie ist nicht prinzipiell unüberprüfbar – es ist eben nur nicht wirklich einfach das zu tun. Eine unüberprüfbare Hypothese sieht anders aus. Würde ich zum Beispiel behaupten, dass ich meine Wohnung mit dem Feuer eines großen Drachens heize, der in meinem Keller sitzt aber jedesmal verschwindet, wenn man die Tür öffnet und nachsehen will, dann ist diese Behauptung nicht überprüfbar. Die Stringtheorie macht dagegen jede Menge Aussagen, die man im Prinzip direkt überprüfen könnte, wenn man die entsprechenden Instrumente dafür hätte. Die haben wir aber nicht – noch nicht zumindest. Aber das heißt nicht, dass die Lage völlig hoffnungslos.

Die Physikerin Sabine Hossenfelder hat genau zu diesem Thema kürzlich einen sehr interessanten Artikel geschrieben, dessen wichtigste Aussagen ich hier noch einmal kurz zusammenfassen möchte. Sie stellt darin zuerst einmal fest, dass es ganz darauf ankommt, was man unter “Stringtheorie” versteht. Als in den 1980er Jahren die Grundlagen dafür entwickelt worden sind, war man noch gar nicht an der großen Vereinheitlichung von Quantenmechanik und Relativitätstheorie interessiert, mit der die Strings heute zu tun haben. Damals wollte man nur einen Weg finden, die starke Kernkraft zu beschreiben, die für den Zusammenhalt der Quarks im Inneren der Atome verantwortlich ist. Dafür entwickelte man eine mathematische Formulierung, bei der die Teilchen als eindimensionale “Linien” – die Strings – behandelt werden. Diese Methode wird heute noch verwendet um die Vorgänge bei Teilchenkollisionen in Beschleunigern zu beschreiben und vorherzusagen und funktioniert recht gut.

Erst danach wurde aus dem mathematischen Modell ein Versuch, die Realität zu beschreiben und die Hypothese, dass die Teilchen wirklich alle aus eindimensionalen Strings bestehen. Im weiteren Verlauf zeigte sich, dass so eine Theorie das Potential hat, eine Quantentheorie der Gravitation zu liefern. Also genau das, nachdem die Wissenschaftler seit Jahrzehnten auf der Suche sind. Die Stringtheorie könnte die “Theorie von Allem” oder “Weltformel” sein, mit der sich alle physikalischen Phänomene in einer einheitlichen Form beschreiben lassen. Wenn sie denn richtig ist – und genau das ist die große Frage.

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Kommentare (26)

  1. #1 phunc
    12. Juni 2015

    Gibt es eigentlich eine alternative Theorie für den Fall, dass sich die String-Theorie als ungültig erweisen sollte? Oder wird man sich darüber erst Gedanken machen, wenn der LHC entsprechende Ergebnisse erzielt (oder auch nicht)?

  2. #2 Florian Freistetter
    12. Juni 2015

    @phunc: Ach, es gibt jede Menge andere Ansätze für eine Quantengravitation abseits der Stringtheorie. Die Schleifen-Quantengravitation ist einer der heißesten Verfolger…

  3. #3 phunc
    12. Juni 2015

    @Florian

    Danke für das Stichwort! Da gibt es durchaus vieles, was ich erstmal bewältigen muss. Aber insgesamt eine furchtbar spannende Thematik.

  4. #4 rolak
    12. Juni 2015

    erstmal bewältigen

    Ist ja auch nicht gerade Thema einer AnfängerVorlesung, phunc, das war also so zu erwarten gewesen. Doch spannend, spannend ist es allemal…

    an der Stringtheorie doch etwas dran

    Nu ja, Florian, abgesehen von den ganzen bisherigen KollateralEntwicklungen nicht nur in der Mathematik — wenn bei solch guter Passung sich alles als nichtfunktional herausstellen sollte, wäre es schon ein genialer, grandioser ParforceRitt durch ein Nadelöhr gewesen – in die Sackgasse zwar, aber dennoch.

  5. #5 Moss the TeXie
    12. Juni 2015

    Auf den SUSY-Artikel bin ich schon sehr gespannt. Dann verstehe ich vielleicht wieder etwas besser, was ich in all den Jahren u. a. in „Fortschritte der Physik“ und „Annalen der Physik“ so gesetzt habe …

  6. #6 Jens
    13. Juni 2015

    Kann man das LHC einfach so besuchen?

  7. #7 Florian Freistetter
    13. Juni 2015

    @Jens: Es gibt dort ein Besucherzentrum und ein Museum. Und nen Tag der offenen Tür einmal im Jahr. Wenn du zu den Detektoren und in den Tunnel willst, dann geht das jetzt nicht mehr. Da gab es nur in den Jahren der Renovierungspause Führungen bzw. Besuchsmöglichkeiten. Jetzt sausen da Teilchen rum, da kann keiner runter.

  8. #8 Mirko
    HH
    13. Juni 2015

    Also zusammengefasst heißt das, nein, der LHC wird uns nichtdie Stringtheorie beweisen können? Bzw nur, falls sie völlig falsch ist. Ok, wäre auch eine interessante Info.

  9. #9 Florian Freistetter
    13. Juni 2015

    @Mirko: “der LHC wird uns nichtdie Stringtheorie beweisen können? “

    Das war allerdings auch nie der Plan…

  10. #10 Mirko
    13. Juni 2015

    Ja klar. Könntest Du mal erläutern, wie Dimensionen überhaupt physikalisch ind mathematisch greifbar sind? Wenn die Stringtheorie 11 oder 26 Dimensionen voraussagt bzw voraussetzt, müssen diese Zahlen doch aus irgendwelchen Formeln kommen. Aber wie taucht eine Anzahl von Dimensionen in einer Formel auf? Wie zB die 3 bei einer Volumenberechnung?

  11. #11 dgbrt
    13. Juni 2015

    Im CERN sucht man nicht nach einer Bestätigung der Stringtheorie. Wenn die es schaffen, die Ergebnisse zum Higgs-Boson zu reproduzieren wäre das schon einmal eine tolle Sache. Das ist in der Wissenschaft eigentlich Voraussetzung für eine allgemeine Akzeptanz. Den Nobelpreis für die theoretische Beschreibung gab es allerdings schon nach einigen wenigen Messergebnissen. Bis auf den Friedens-Nobelpreis von Barak Obama ist das das doch wohl eher ein Novum.

    In dem Verständnis der Allgemeinen Relativitätstheorie liegt meiner Ansicht nach wie vor der Schlüssel. Seit weit mehr als einem halben Jahrhundert gibt es hier keine weiteren Ansätze für spezielle Lösungen, und das nur in den für uns auch schon nicht mehr verständlichen vier Dimensionen. Im Gegensatz zur Stringtheorie ist die Allgemeinen Relativitätstheorie weithin bewiesen und im Speziellen noch immer nicht verstanden.

  12. #12 Florian Freistetter
    13. Juni 2015

    @Mirko: “Könntest Du mal erläutern, wie Dimensionen überhaupt physikalisch ind mathematisch greifbar sind? “

    Siehe hier: http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2009/09/09/was-sind-dimensionen/

  13. #13 Florian Freistetter
    13. Juni 2015

    @dgbrt: “Im CERN sucht man nicht nach einer Bestätigung der Stringtheorie.”

    Deswegen habe ich ja am Anfang des Artikels auch erklärt, wonach man am CERN sucht.

    “Wenn die es schaffen, die Ergebnisse zum Higgs-Boson zu reproduzieren wäre das schon einmal eine tolle Sache. “

    Du meinst, so wie nach 2012, als man jede Menge Higgs-Daten gesammelt hat?

    “Den Nobelpreis für die theoretische Beschreibung gab es allerdings schon nach einigen wenigen Messergebnissen.”

    Ne, den gab es nach einer statistisch signifikanten Menge an Daten, die das sind, was man eine “Entdeckung” nennt.

  14. #14 dgbrt
    13. Juni 2015

    Also, ich finde es schon etwas merkwürdig, dass man bei Higgs nicht auf Bestätigungen durch andere Laboratorien gewartet hat. Es gibt auf der Welt keinen anderen Beschleuniger der das machen kann, aber im CERN haben wir jetzt die doppelte Energie – damit sollte das doch wohl bestätigt werden können.

    Und wer etwas Humor mag: http://xkcd.com/1437/. Im letzten Bild wird klar, dass das Higgs-Teilchen verloren wurde, einfach weil es zu klein ist.

  15. #15 Florian Freistetter
    13. Juni 2015

    @dgbrt: “Also, ich finde es schon etwas merkwürdig, dass man bei Higgs nicht auf Bestätigungen durch andere Laboratorien gewartet hat. “

    Die gibts halt nicht. Aber zwei unterschiedliche Detektoren am LHC mit unterschiedlichen Teams und unterschiedlicher Technik haben das Higgs unabhängig entdeckt. Und natürlich gehört die Untersuchung der Higgs-Eigenschaften zu den Aufgaben des LHC, die im neuen Lauf durchgeführt werden.

  16. #16 dgbrt
    13. Juni 2015

    @FF: “Die gibts halt nicht.”
    Genau das habe ich ja auch gesagt. Und ich habe auch gesagt, dass ich hoffe das neue LHC wird die ersten Ergebnisse bestätigen können.

    Und genau da fängt mein Problem an: Wenn die das bestätigen können wird es sehr schwer sein, darüber Berichte zu finden. Aber wenn die nichts finden wäre das natürlich kein Gegenbeweis, ob das dann aber so publiziert wird stelle ich mal in Frage.

    Ich hoffe, die Wissenschaftler beim LHC schaffen das. und mit der Energie können die auch wohl noch mehr finden.

  17. #17 JaJoHa
    13. Juni 2015

    @dgbrt
    Die leistungsstärksten Beschleuniger (abgesehen vom LHC) waren für Elektron-Positron das LEP und für Protonen (genaugenommen Proton-Antiproton) das Tevatron. Das Tevatron kam auf etwas über 1TeV Schwerpunktsenergie, LEP auf etwas über 200GeV. Und bei den Energien ist der Wirkungsquerschnitt für Higgs noch relativ klein.
    Hier sind die Wirkungsquerschnitte für verschiedene Prozesse aufgetragen. Der LHC hat mehr Schwerpunktsenergie (Wirkungsquerschnitt größer), mehr Luminosität (mehr Ereignisse pro Zeitintervall) und modernere Detektoren (unter anderem mehr Ereignisse speichern). Am Tevatron hat man zwar Hinweise aufs Higgs gefunden, aber “Tevatron scientists found that the observed Higgs signal in the combined CDF and DZero data in the bottom-quark decay mode has a statistical significance of 2.9 sigma.” Von einer Entdeckung spricht man bei 5 sigma. Aber das Tevatron war da schon abgeschaltet. Es gab also einige Vergleichswerte.
    Wenn der ILC gebaut wird, dann wird man unter anderem auch das Higgs um einiges genauer vermessen können, weil das wieder ein Elektron-Positron-Collider wird.

  18. #18 Mirko
    13. Juni 2015

    Hallo Florian, Danke für den Link. Hab aber noch keinen Schimmer, was die Stringfans darauf bringt, dass es 11 Dimensionen sein müssen. Wie heißt es so schön: Proton müsste man sein, dann würde man es verstehen? Und wär auch immer positiv drauf?

  19. #19 Panos
    13. Juni 2015

    Die Supersymmetrie ist ein sehr elegantes Modell, das sich gut einfügen lässt, nur habe ich gelesen, dass der B-meson zerfall das Standardmodell sehr gut und genau beschreibt und die Supersymmetrie einschränkt. Quelle: https://www.google.de/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=newssearch&cd=4&cad=rja&uact=8&ved=0CDUQqQIoADADahUKEwjJl_j4wo3GAhXjmdsKHW7-AJA&url=http%3A%2F%2Fwww.heise.de%2Ftp%2Fartikel%2F44%2F44932%2F1.html&ei=YZR8VYnjI-Oz7gbu_IOACQ&usg=AFQjCNE8_OGLemXR7j4I5fU-Dob5DkQd2Q&sig2=Z6sVQAx505cqTMoxXVGjgA&bvm=bv.95515949,d.bGg

  20. #20 Florian Freistetter
    14. Juni 2015

    @dgbrt: “Wenn die das bestätigen können wird es sehr schwer sein, darüber Berichte zu finden.”

    Meinst du jetzt Publikationen oder so? Nichts könnte leichter sein: Bestell dir den kostenlose CERN Courier (http://cerncourier.com/cws/how-to-subscribe) und du erfährst jeden Monat, wer was wann und wo gemessen hat und was es für neue Ergebnisse gibt. Und jede Menge andere interessante Infos auch.

  21. #21 Jens
    14. Juni 2015

    Laut Wiki sollen am ILC ( International Linear Collider) auch bislang unentdeckte für den LHC unsichtbare Teilchen nachgewiesen werden. Welche Teilchen sollen das sein?

  22. #22 Florian Freistetter
    14. Juni 2015

    @Jens: Naja, wenn es noch unentdeckte Teilchen sind, weiß man nicht, um was es sich handelt 😉 Ich weiß jetzt nicht, wovon du konkret sprichts. Aber je mehr Energie ein Beschleuniger hat, desto massereichere Teilchen kann er erzeugen. Ein Beschleuniger mit mehr Energie als der LHC kann also Teilchen erzeugen, die der LHC nicht erzeugen kann.

  23. #23 JaJoHa
    14. Juni 2015

    @Jens
    Wenn es sie gibt, SUSY, Kanidaten für dunkle Materie und die anderen Teilchen, die Erweiterungen des SM vorhersagen. Außerdem präzisere Messungen an den schweren Teilchen wie Higgs und Top, was in Elektron-Positron besser geht als mit Protonen. Die Schwerpunktsenergie liegt mit 500GeV bis 1TeV zwar unter den 14TeV von LHC, aber mit Elektronen braucht man nicht so viel Energie.

  24. #24 dgbrt
    14. Juni 2015

    @FF:
    Vielen Dank für den Link, es ist ja oft nicht einfach, so etwas zu finden.

  25. #25 Winni
    10. Juni 2016

    “…I think we’ve wasted 30 years studying bizarre aspects of a theory that doesn’t bring us any closer to understanding quantum gravity, and it’s nothing but an empty bubble of disappointed expectations.”
    http://backreaction.blogspot.de/2016/06/dear-dr-b-why-not-string-theory.html?m=1

  26. #26 Spritkopf
    10. Juni 2016

    @Winni
    Sehr interessant zu lesen, dein Link. Thanks for that.