Supersymmetrie: zu schön, um wahr zu sein?

Gleich mehrere Schwachstellen des Standardmodells ließen sich ausbessern, wenn jedes Teilchen über einen supersymmetrischen Partner verfügen würde. Die Suche nach diesen „Superteilchen“ blieb bislang allerdings erfolglos. Trotzdem geben Physiker die Hoffnung nicht auf, die Supersymmetrie in den kommenden Jahren doch noch zu bestätigen.

Die unglaubliche Vielfalt des Mikrokosmos lässt sich mit wenigen, einfachen theoretischen Prinzipien beschreiben. Neben den Gesetzen der Quantenphysik spielen Symmetrien dabei eine wesentliche Rolle. Symmetrien begegnen uns auch im Alltag immer wieder: Dreht man beispielsweise einen Kreis um seinen Mittelpunkt, so sieht er nachher unverändert aus. Man sagt, der Kreis ist symmetrisch unter Drehungen.

In der Physik werden Symmetrien häufig verwendet, um Theorien zu formulieren und die Struktur physikalischer Gesetze abzuleiten. So hängen physikalische Gesetze offenbar nicht von Ort und Zeit ab. Es macht also keinen Unterschied, ob man ein Experiment in Hamburg oder München beziehungsweise heute oder morgen durchführt – vorausgesetzt natürlich, dass sich alle äußeren Bedingungen gleichen. Aus dieser Symmetrie der Physik unter einer Änderung von Ort und Zeit folgt bemerkenswerterweise auch, dass Impuls und Energie erhalten sind, also weder erzeugt noch vernichtet werden können.

Die größtmögliche Symmetrie

Im Mikrokosmos wird die Symmetrie in Bezug auf Ort und Zeit durch die Gesetze der speziellen Relativitätstheorie bestimmt. Ob man die Wechselwirkung elementarer Teilchen in einem stationären Labor oder beispielsweise in einem mit konstanter Geschwindigkeit fahrenden Zug untersucht – die Naturgesetze ändern sich dadurch nicht. Betrachtet man neben der Änderung von Ort und Zeit auch eine quantenmechanische Eigenschaft mikroskopischer Teilchen, den sogenannten Spin, lässt sich sogar eine noch grundlegendere Raum-Zeit-Symmetrie finden.

Elementarteilchen und ihr Spin

Der Spin ist eine Besonderheit der Quantenwelt: Mikroskopische Teilchen verhalten sich, als besäßen sie einen kleinen inneren Magneten. Und wie in der Quantentheorie üblich, nimmt der Spin keine beliebigen, sondern nur bestimmte Werte an. Alle uns bekannten fundamentalen Materieteilchen, wie etwa das Elektron, besitzen den Spin 1/2 (in speziellen Einheiten), während das Photon, das die elektromagnetische Kraft vermittelt, den Spin 1 besitzt. In der Natur wurden bisher tatsächlich nur drei Arten fundamentaler Teilchen nachgewiesen, die sich nicht zuletzt durch ihren Spin voneinander unterscheiden: Materieteilchen mit Spin 1/2, Kraftteilchen mit Spin 1 sowie das im Juli 2012 neu entdeckte Teilchen – bei dem es sich vielleicht um das lang gesuchte Higgs-Boson handelt – mit Spin 0.

Nimmt man nun zusätzlich zur Änderung in Ort und Zeit auch eine Änderung des Spins um die Quanteneinheit 1/2 an, lässt sich eine noch umfassendere Symmetrie als die der speziellen Relativitätstheorie formulieren. Diese größtmögliche Symmetrie der Natur wird als Supersymmetrie bezeichnet. Sie sagt voraus, dass jedes fundamentale Teilchen einen supersymmetrischen Partner besitzt, dessen Spin sich um 1/2 unterscheidet. Zum Elektron gehört also ein supersymmetrisches Elektron mit Spin 0 und das Photon wird von einem supersymmetrischen Photon mit Spin 1/2 begleitet. Die Supersymmetrie ist also nicht nur die größtmögliche Symmetrie der Natur, sie impliziert auch eine faszinierende Erweiterung von Raum und Zeit – indem sie diese mit der Quanteneigenschaft Spin verknüpft und so eine Beziehung zwischen Materieteilchen (Spin = 1/2) und Kraftteilchen (Spin = 1) herstellt.

Gebrochene Supersymmetrie

Wäre die Supersymmetrie perfekt, müsste jedes Teilchen dieselbe Masse wie sein supersymmetrischer Partner besitzen. Allerdings konnte man experimentell bisher keine supersymmetrischen Partner nachweisen, obwohl man in den entsprechenden Energiebereichen danach suchte. Die Supersymmetrie kann also nicht exakt, sondern bestenfalls näherungsweise in der Natur verwirklicht sein. Um die Theorie zu retten, nehmen Physiker an, dass die supersymmetrischen Partner sehr viel schwerer ausfallen als die bisher bekannten Teilchen. Das scheint zunächst ernüchternd.

Eisblumen

Aber Symmetrien, die nicht exakt, sondern nur näherungsweise gelten, sind uns aus vielen physikalischen Situationen bekannt. So können sich die Wassermoleküle in Dampf in alle Richtungen frei bewegen. Wird der Dampf gekühlt, frieren die Wassermoleküle ein und bilden feste Strukturen wie etwa Eisblumen an einer kalten Fensterscheibe. Die ursprüngliche Symmetrie der freien Bewegung in alle Richtungen wird durch das Abkühlen „gebrochen“ und auf die geringere Symmetrie der Eisblumen reduziert.

Es ist also nicht unbedingt verwunderlich, dass die Supersymmetrie an den Energieskalen, die wir experimentell erforschen können, nicht exakt ist, und dass die schweren Superteilchen bisher nicht nachgewiesen werden konnten. Unklar ist bisher allerdings der Mechanismus, durch den die Supersymmetrie gebrochen wird. Unterschiedliche theoretische Annahmen führen hier zu verschiedenen supersymmetrischen Modellen, die sich unter anderem durch das Massenspektrum der Superteilchen unterscheiden.

Kann der Nachweis der Supersymmetrie im Large Hadron Collider am CERN gelingen? Insbesondere zwei Aspekte lassen dies plausibel erscheinen: das sogenannte Hierarchieproblem und die vermutete Existenz von Dunkler Materie im Weltall. Durch den Einfluss des Quantenvakuums – im vermeintlich leeren Raum entstehen laufend Teilchen-Antiteilchen-Paare, die kurz darauf wieder verschwinden – müsste die Masse des Higgs-Teilchens 10¹⁷-mal größer als die am LHC experimentell bestimmte Masse sein.

Hierarchieproblem

Wie lässt sich diese enorme Hierarchie zwischen der erwarteten und tatsächlichen Masse des Higgs-Teilchens erklären? Durch Supersymmetrie! Die Supersymmetrie modifiziert das Quantenvakuum und die Higgs-Masse liegt auf natürliche Weise im experimentell beobachteten Bereich, falls die supersymmetrischen Teilchen nicht zu schwer und damit in Reichweite des LHC sind.

Solche Superteilchen mit Massen von bis zu ungefähr einem Teraelektronenvolt – also ungefähr der tausendfachen Protonenmasse – bieten gleichzeitig eine überzeugende Erklärung für eine der wichtigsten offenen Fragen der Physik: Woraus besteht Dunkle Materie? Astronomische Beobachtungen deuten darauf hin, dass rund achtzig Prozent der Materie im Universum aus einem bisher unbekannten Stoff bestehen, der sich nur durch seine Schwerkraft bemerkbar macht. Viele supersymmetrische Theorien sagen die Existenz eines massereichen und elektrisch neutralen Superteilchens voraus, das nicht in andere Teilchen zerfallen kann und so als Dunkle Materie das Universum bevölkert.

Keine Spur von Superteilchen

Nur ein – zugegebenermaßen schwerwiegendes – Problem hat die Supersymmetrie: Es gibt bisher keinen experimentellen Hinweis auf die Existenz von Superteilchen, weder am LHC noch in anderen Experimenten. Dabei müssten Superteilchen durch Quanteneffekte zum einen eine Vielzahl von Messgrößen beeinflussen und zum anderen sollten Superteilchen auch direkt am LHC erzeugt und nachgewiesen werden können.

Die Suche am LHC ist besonders sensitiv auf die Superpartner der Quarks und den Superpartner des Gluons, den Träger der starken Wechselwirkung. Diese Superteilchen sollten in den Protonenstößen des LHC mit hohen Raten erzeugt werden können. Aus den bisher erfolglosen Suchen lassen sich im Rahmen einfacher supersymmetrischer Modelle untere Schranken an die Massen des Super-Quarks und des Super-Gluons von ungefähr einem Teraelektronenvolt ableiten.

Eine natürliche Lösung des Hierarchieproblems ist in diesen einfachen Modellen kaum mehr möglich. Es gibt allerdings nach wie vor eine Vielzahl supersymmetrischer Theorien, die das Hierarchieproblem überzeugend lösen und die Existenz der Dunklen Materie erklären, aber erst jenseits der bisher am LHC zugänglichen Energien nachgewiesen werden können. Eine entscheidende Rolle nehmen hierbei der Superpartner des Top-Quarks und die nur elektromagnetisch geladenen Superteilchen ein. Die Suche nach diesen Teilchen ist komplex und rückt nun immer stärker in den Fokus der LHC-Experimente.

Generische Ausschlussgrenzen für supersymmetrische Teilchen

Wie stehen die Chancen, am LHC in den kommenden Jahren supersymmetrische Teilchen zu finden? Hier gehen die Einschätzungen und Erwartungen der Teilchenphysiker auseinander. Entscheidend ist die Frage, ob sich die enorme Hierarchie zwischen der erwarteten und der physikalischen Higgsmasse tatsächlich durch Supersymmetrie oder einen anderen neuen physikalischen Effekt erklären lässt, oder ob man die Higgsmasse als Parameter der Natur im Rahmen unseres jetzigen Verständnisses als vorgegeben akzeptieren muss.

Ungeachtet aller theoretischen Spekulationen beginnt die entscheidende Phase der Jagd nach Supersymmetrie tatsächlich erst im Jahr 2015, wenn der LHC den Betrieb bei höherer Energie wieder aufnimmt und so auf das gesamte Spektrum natürlicher supersymmetrischer Modelle sensitiv ist. Dann lassen sich möglicherweise auch jene supersymmetrischen Teilchen am LHC erzeugen und erforschen, die für die Dunkle Materie im Universum aufkommen könnten. Zugleich sollten diese Superteilchen aber auch Spuren in der kosmischen Strahlung hinterlassen und durch hochempfindliche Experimente tief unter der Erde nachweisbar sein. Dadurch ergibt sich ein interessantes Zusammenspiel von Elementarteilchen- und Astrophysik – ein faszinierender Aspekt der Suche nach Superteilchen. 

Und falls sich die Supersymmetrie nicht bestätigen lässt? Dann müssen neue Ansätze entwickelt und ganz neue Wege beschritten werden. Momentan ist aber noch völlig unklar, wie solche Ansätze aussehen, und erst recht, wohin sie uns schließlich führen könnten.