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 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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