Cameron Merritt
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Die maßgebliche Theorie der Teilchenphysik erklärt alles über die subatomare Welt… mit Ausnahme der Teile, die dies nicht tut. Und leider gibt es nicht viele schmeichelhafte Adjektive, die auf das sogenannte Standardmodell angewendet werden können. Diese Theorie der Grundlagenphysik, die im Laufe der Jahrzehnte Stück für Stück aufgebaut wurde, lässt sich am besten als unbeholfen, Durcheinander und MacGyver-ed zusammen mit Schnur- und Kaugummistücken beschreiben.
Trotzdem ist es ein unglaublich leistungsfähiges Modell, das eine enorme Vielfalt von Interaktionen und Prozessen genau vorhersagt.
Aber es hat einige offensichtliche Mängel: Es enthält keine Schwerkraft; es kann die Massen verschiedener Teilchen nicht erklären, von denen einige Kraft verleihen; es gibt keine Erklärung für ein bestimmtes Neutrino-Verhalten; und es gibt keine Antwort auf die Existenz dunkler Materie.
Also müssen wir etwas herausfinden. Wir müssen über das Standardmodell hinausgehen, um unser Universum besser zu verstehen.
Leider wurden in den letzten Jahren viele der führenden Kandidaten für die Erklärung dieses großen Jenseits - sogenannte supersymmetrische Theorien - ausgeschlossen oder stark eingeschränkt. Es gibt immer noch ein Hagel-Maria-Konzept, das die mysteriösen Teile des Universums erklären könnte, die nicht vom Standardmodell abgedeckt werden: Langlebige supersymmetrische Teilchen, manchmal kurz Teilchen genannt. Aber bedrückenderweise ist eine kürzliche Suche nach diesen seltsamen Partikeln mit leeren Händen zurückgekehrt. [Die 11 größten unbeantworteten Fragen zur Dunklen Materie]
Nicht so super Symmetrie
Die mit Abstand trendigsten Theorien, die die Grenzen des aktuellen Standardmodells überschreiten, werden zu einer Klasse von Ideen zusammengefasst, die als Supersymmetrie bekannt sind. In diesen Modellen haben die beiden Hauptlager der Teilchen in der Natur ("Bosonen" wie die bekannten Photonen und "Fermionen" - wie Elektronen, Quarks und Neutrinos) tatsächlich eine seltsame Art von Geschwisterbeziehung. Jedes einzelne Boson hat einen Partner in der Fermion-Welt, und ebenso hat jede Fermion einen Boson-Freund, den sie sich nennen kann.
Keiner dieser Partner (oder besser gesagt im verwirrenden Jargon der Teilchenphysik - "Superpartner") gehört zur normalen Familie der bekannten Teilchen. Stattdessen sind sie normalerweise viel, viel schwerer, seltsamer und sehen im Allgemeinen seltsamer aus.
Dieser Massenunterschied zwischen den bekannten Partikeln und ihren Superpartnern ist das Ergebnis einer sogenannten Symmetriebrechung. Dies bedeutet, dass bei hohen Energien (wie den Innenseiten von Teilchenbeschleunigern) die mathematischen Beziehungen zwischen Teilchen und ihren Partnern auf einem gleichmäßigen Kiel liegen, was zu gleichen Massen führt. Bei niedrigen Energien (wie den Energieniveaus, die Sie im normalen Alltag erleben) ist diese Symmetrie jedoch gebrochen, wodurch die Teilchenmassen der Partner in die Höhe schnellen. Dieser Mechanismus ist wichtig, weil er möglicherweise auch erklärt, warum beispielsweise die Schwerkraft so viel schwächer ist als die anderen Kräfte. Die Mathematik ist nur ein kleines bisschen kompliziert, aber die kurze Version lautet: Etwas ist im Universum kaputt gegangen, was dazu führte, dass die normalen Teilchen drastisch weniger massereich wurden als ihre Superpartner. Dieselbe Bruchwirkung kann die Schwerkraft bestraft und ihre Stärke im Vergleich zu den anderen Kräften verringert haben. Raffiniert. [6 Seltsame Fakten über die Schwerkraft]
Lange leben und gedeihen
Um nach Supersymmetrie zu suchen, mischten sich einige Physiker ein und bauten den Atomzerstörer namens Large Hadron Collider, der nach Jahren mühsamer Suche zu dem überraschenden, aber enttäuschenden Ergebnis kam, dass fast alle Supersymmetriemodelle falsch waren.
Hoppla.
Einfach ausgedrückt, wir können keine Partnerpartikel finden. Null. Zilch. Nada. Beim leistungsstärksten Kollider der Welt, bei dem Partikel mit nahezu Lichtgeschwindigkeit um eine kreisförmige Vorrichtung herum gezippt werden, bevor sie miteinander kollidieren, sind keine Hinweise auf Supersymmetrie aufgetreten, was manchmal zur Bildung exotischer neuer Partikel führt. Das bedeutet nicht unbedingt, dass Supersymmetrie per se falsch ist, aber alle einfachsten Modelle wurden jetzt ausgeschlossen. Ist es Zeit, die Supersymmetrie aufzugeben? Vielleicht, aber es könnte einen Ave Maria geben: langlebige Partikel.
Normalerweise sind Sie im Land der Teilchenphysik umso instabiler, je massiver Sie sind und je schneller Sie in einfachere, leichtere Teilchen zerfallen. So sind die Dinge eben. Da erwartet wird, dass die Partnerpartikel alle schwer sind (sonst hätten wir sie inzwischen gesehen), haben wir erwartet, dass sie schnell in Schauer anderer Dinge zerfallen, die wir möglicherweise erkennen, und dann hätten wir unsere Detektoren entsprechend gebaut.
Was aber, wenn die Partnerpartikel langlebig wären? Was ist, wenn diese Teilchen durch eine Eigenart der exotischen Physik (geben Sie den Theoretikern ein paar Stunden Zeit, um darüber nachzudenken, und sie werden mehr als genug Macken finden, um dies zu erreichen) den Grenzen unserer Detektoren entkommen, bevor sie pflichtbewusst zerfallen in etwas weniger seltsames? In diesem Szenario wären unsere Suchanfragen völlig leer ausgefallen, einfach weil wir nicht weit genug weggeschaut haben. Außerdem sind unsere Detektoren nicht dafür ausgelegt, direkt nach diesen langlebigen Partikeln zu suchen.
ATLAS zur Rettung
In einem kürzlich online veröffentlichten Artikel vom 8. Februar auf dem Preprint-Server arXiv berichteten Mitglieder der ATLAS-Kollaboration (etwas umständlich für A Toroidal LHC ApparatuS) beim Large Hadron Collider über eine Untersuchung solcher langlebigen Partikel. Mit dem aktuellen Versuchsaufbau konnten sie nicht nach jedem möglichen langlebigen Teilchen suchen, aber sie konnten nach neutralen Teilchen mit Massen zwischen dem 5- und 400-fachen des Protons suchen.
Das ATLAS-Team suchte nach den langlebigen Partikeln nicht in der Mitte des Detektors, sondern an seinen Rändern, wodurch sich die Partikel von einigen Zentimetern bis zu einigen Metern bewegen konnten. Das mag in Bezug auf menschliche Standards nicht sehr weit erscheinen, aber für massive, fundamentale Teilchen könnte es genauso gut der Rand des bekannten Universums sein.
Natürlich ist dies nicht die erste Suche nach langlebigen Partikeln, aber die umfassendste, bei der fast das gesamte Gewicht zahlreicher experimenteller Aufzeichnungen beim Large Hadron Collider verwendet wird.
Und das große Ergebnis: Nichts. Null. Zilch. Nada.
Kein einziges Zeichen von langlebigen Partikeln.
Bedeutet das, dass die Idee auch tot ist? Nicht ganz - diese Instrumente waren nicht wirklich dafür gedacht, nach solchen wilden Tieren zu suchen, und wir kratzen nur mit dem vorbei, was wir haben. Es kann eine weitere Generation von Experimenten dauern, die speziell darauf ausgelegt sind, langlebige Partikel einzufangen, bevor wir tatsächlich eines fangen.
Oder deprimierender ist, dass sie nicht existieren. Und das würde bedeuten, dass diese Kreaturen - zusammen mit ihren supersymmetrischen Partnern - wirklich nur Geister sind, die sich fieberhafte Physiker ausgedacht haben, und was wir tatsächlich brauchen, ist ein völlig neuer Rahmen, um einige der herausragenden Probleme der modernen Physik zu lösen.
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Ursprünglich veröffentlicht am .
Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State University, Gastgeber von Fragen Sie einen Raumfahrer und Weltraumradio, und Autor von Dein Platz im Universum.