Kennen wir nur die Hälfte von all dem, was unsere Welt ausmacht? Vielleicht: Die moderne Physik ist schon seit langem auf der Suche nach der “Supersymmetrie”. Diese Hypothese sagt voraus, dass es noch jede Menge unbekannte Teilchen gibt. Sie würde den Unterschied zwischen Kraft und Materie aufheben und uns ein völlig neues Bild des Universums zeigen. Worum es dabei geht, erkläre ich in dieser Folge der Sternengeschichten.

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Transkription

Sternengeschichten Folge 160 – Die Supersymmetrie

Symmetrien spielen in der Physik eine wichtige Rolle. Sie bilden ein Grundprinzip für das Verständnis des Universums und die Suche nach neuen Naturgesetzen. Es sollte zum Beispiel keine Rolle spielen, ob man ein Experiment heute, gestern oder morgen durchführt. Die Naturgesetze sollten immer gleich funktionieren. Genauso sollte es für den Ablauf der Naturgesetze egal sein, aus welcher Richtung man auf ein physikalisches System blickt. Oder ob man es in Hamburg, Wien oder in der Andromedagalaxie durchführt. 1918 hat die Mathematikerin Emmy Noether bewiesen, dass aus jeder dieser sogenannten Invarianzen eine Erhaltungsgröße folgen muss. Aus der Tatsache, dass es egal ist, zu welchem Zeitpunkt man ein Experiment durchführt, folgt beispielsweise, das die Energie immer erhalten bleiben muss. Aus der Unabhängigkeit der Naturgesetze vom Blickwinkel folgt die Drehimpulserhaltung und aus der Invarianz gegenüber dem Ort die Impulserhaltung.

Solche Symmetrien machen die Physik einfacher und das Universum verständlicher. Und eigentlich dachte man, man hätte schon alle relevanten Symmetrien in der Natur entdeckt und entsprechend berücksichtigt. Aber in den 1970er Jahren fand man dann doch noch eine Symmetrie, die man übersehen hatte. Seitdem arbeiten die Wissenschaftler an einer neuen, noch umfassenderen Theorie der Teilchenphysik, die heute eine enorm wichtige Rolle bei der Suche nach neuen Naturgesetzen spielt: Die Supersymmetrie.

Die bisher bekannten Teilchen im Standardmodell der Teilchenphysik (Bild: Duncan Hull, CC-BY 2.0)

Die bisher bekannten Teilchen im Standardmodell der Teilchenphysik (Bild: Duncan Hull, CC-BY 2.0)

Die Teilchenphysik war in den letzten Jahrzehnten enorm erfolgreich. Das sogenannte Standardmodell der Teilchenphysik, über das ich schon in Folge 46 der Sternengeschichten gesprochen habe, beschreibt die Welt der Atome und Elementarteilchen äußerst erfolgreich und seinen letzten großen Triumph feierte diese Theorie mit der erfolgreichen Vorhersage und dem Nachweis des Higgs-Teilchens im Jahr 2012. Im Standardmodell kann man zwei grundsätzlich unterschiedliche Teilchen unterscheiden. Da sind zuerst einmal all die Partikel, aus denen die Materie aufgebaut ist. Also Quarks, aus denen die Kerne der Atome bestehen; Elektronen, die die Hüllen der Atome bilden und Neutrinos, die bei atomaren Reaktionen entstehen. Das ist aber noch nicht alles; denn zwischen den Materieteilchen wirken auch Kräfte, die im Standardmodell ebenfalls durch Teilchen beschrieben werden. Obwohl: Wenn man es ganz genau nimmt, wird in der modernen Quantenmechanik alles durch Felder beschrieben, die miteinander in Wechselwirkung stehen und Teilchen sind nur das, was entsteht wenn man ausreichend Energie in so ein Feld steckt. Aber das würde jetzt zu weit führen und wir bleiben vorerst beim Bild der Teilchen. Die Quarks in den Atomkernen halten zum Beispiel deswegen zusammen, weil zwischen ihnen ständig sogenannten “Gluonen” ausgetauscht werden. Man kann sich das wie einen Ball vorstellen, denn sich die Quarks ständig zu- und wieder zurückwerfen und so aneinander gebunden bleiben. Die elektromagnetische Kraft, die zum Beispiel zwischen den elektrisch geladenen Elektronen wirkt, wird von Lichtteilchen, den Photonen vermittelt. Und dann gibt es noch die Kraft die dafür sorgt, dass Atomkerne mit Neutrinos wechselwirken, die von den sogenannten W- und Z-Bosonen übertragen wird.

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Kommentare (15)

  1. #1 McPomm
    18. Dezember 2015

    So gut einleuchtend habe ich die Susy noch nie erklärt bekommen.

  2. #2 Schlappohr
    18. Dezember 2015

    “Der Spin würde dann angeben, in welche Richtung die Rotationsachse zeigen kann.”

    An dieser Selle habe ich immer ein Verständnisproblem. In welche Richtung bzgl. welchen Koordinatensystems? Es gibt im Universum kein bevorzugtes Koordinatensystem, d.h. ich kann es frei wählen und drehen, wie ich will, und dann kann die Spinachse in jede beliebige Richtung zeigen.
    Oder ist das der Punkt, wo man sich von der Vorstellung Spin=Rotation trennen muss?

  3. #3 Mathias
    18. Dezember 2015

    @Schlappohr

    Die Spin”achsen”/-richtungen müssen ja zuerst durch eine Messung bestimmt werden. Die vor der Messung frei wählbare Orientierung des dazu benötigten Messapparates legt das Koordinatensystem fest, welches danach für die Reproduzierbarkeit der Messung gelten muss. Die erste Messung legt also das Koordinatensystem fest.

  4. #4 Schlappohr
    18. Dezember 2015

    @Mathias

    Danke. Ich hab natürlich nicht bedacht, dass man den Spin von Anfang an als quantenmechanische Größe sehen muss, ob wohl es ja im nächsten Satz steht.

  5. #5 Artur57
    19. Dezember 2015

    @Schlappohr

    Was ich bisher gelesen habe: immer in Bewegungsrichtung. Bei Wikipedia erfährt man über das Neutrino

    “Das Neutrino erwies sich als „Linkshänder“, sein Spin ist seiner Bewegungsrichtung entgegengesetzt (antiparallel; siehe Händigkeit). Damit wird eine objektive Erklärung von links und rechts möglich.”

    Also in diesem Fall muss man den Spin tatsächlich als Drehung interpretieren. In vielen Fällen ist das richtig und zutreffend, aber eben nicht immer.

  6. #6 Mathias
    19. Dezember 2015

    @Artur57
    Eine “klassische” Messung des Spins erfolgt durch den Stern-Gerlach Versuch mit Silberatomen. Deren Spins stehen dann senkrecht zur Bewegungsrichtung, parallel zum Magnetfeld.
    https://de.wikipedia.org/wiki/Stern-Gerlach-Versuch

  7. #7 Artur57
    19. Dezember 2015

    @Matthias

    Da hast Du natürlich recht. Da habe ich mich vom Neutrino etwas blenden lassen.

    Das wäre mal eine lohnende Untersuchung, wie sich diese Spins eigentlich ausrichten. Beim Neutrino nach der Bewegungsrichtung, bei geladenen Teilchen nach einem äußeren Magnetfeld. Und der Rest? Gibt es da Aussagen?

  8. #8 JaJoHa
    19. Dezember 2015

    @Artur57
    Fragst du nach Spin, oder magnetischen Moment?
    Schau mal hier , da ist das für einige Teilchen aufgelistet.

  9. #9 Jens
    22. Dezember 2015

    Erklärt die Supersymmetrie auch die Diskrepanz zwischen Materie und Antimaterie?

  10. #10 Thomas Stör
    25. Januar 2016

    Zu “Die Supersymmetrie ist eine sehr elegante und vielversprechende Hypothese …” eine kurze Anmerkung: bereits die einfachste supersymmetrische Erweiterung des Standardmodells ist m.E. noch hässlicher als das Standardmodell selbst (zig neue Felder = Teilchen, zig neue Parameter); realistische Modelle verschlimmern diese Situation eher noch. Warum alle Welt immer von einer eleganten Theorie spricht, kann ich nicht nachvollziehen; das trifft allenfalls auf minimale und unrealistische Varianten zu.

  11. #11 Krypto
    25. Januar 2016

    @Thomas:
    Wenn Du das nicht nachvollziehen kannst, hast Du Dich nicht mit allen Aspekten der SuSy beschäftigt 😉
    Im Übrigen bedeutet “elegant” nicht “einfach” oder “leicht nachvollziehbar”.

  12. #12 Thomas Stör
    26. Januar 2016

    Welche Aspekte, die die SUSY “elegant” machen, hätte ich denn übersehen?

  13. […] haben jede Menge Ideen, wie diese umfassendere Theorie aussehen könnte. Die Supersymmetrie ist eine davon, aber bei weitem nicht die einzige. Um heraus finden zu können, wie das […]

  14. #14 Halo
    24. März 2016

    — Zitat —-
    Gebrochene Symmetrien sind in der Physik ebenfalls nicht unbekannt. Ein schönes Beispiel ist immer der Übergang von Wasser zu Eis: Im flüssigen Wasser können sich Teilchen in alle Richtungen bewegen und haben jede Menge Freiheit
    ———-
    2 Fragen dazu:
    Ich dachte, den Übergang von flüssig zu fest, nennt man Phasenübergang.
    Ist ein Bruch in der Symmetrie eigentlich reversibel ?
    Was ist nun eigentlich der Unterschied zw. Phasenübergang und Symmetriebruch ?

  15. […] und es wird bei seiner Begründung mehr als deutlich, dass er die physikalische Hypothese der Supersymmetrie nicht verstanden hat, auf die er sich beruft. Denn die kann zwar unter Umständen eine Erklärung […]