„Habe nun ach! Philosophie, Juristerei und Medizin, und leider auch Theologie! durchaus studiert mit heißem Bemühn. Da steh ich nun, ich armer Tor! und bin so klug als wie zuvor; heiße Magister, heiße Doktor gar, und ziehe schon an die zehen Jahr herauf, herab und quer und krumm meine Schüler an der Nase herum – und sehe, dass wir nichts wissen können!

Das will mir schier das Herz verbrennen!“ 

- Faust I, S. 354–365

Supersymmetrie

Die Supersymmetrie (kurz: SUSY) ist eine hypothetische Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen. Die SUSY-Transformationsteilchen heißen Superpartner.

Die Grundlage der modernen Elementarteilchenphysik bildet das Standardmodell. Dieses erklärt zum einen alle bekannten Fermionen (Materieteilchen), also das Verhalten von Quarks (z.B. Protonen und Neutronen) und Leptonen (z.B. Elektron). Zum anderen gleichzeitig auch alle entdeckten Bosonen (siehe auch: Grundkräfte der Physik), die Strukturen wie Atome oder Moleküle überhaupt erst möglich machen.

Nun sind Physiker aus guter Erfahrung heraus stets darum bemüht, Symmetrien zu suchen. Das Standardmodell aber weist eine auffallende Asymmetrie auf: Auf der einen Seite die Fermionen, die Materiebausteine, auf der anderen Seite die Bosonen, die Kraftvermittler. Warum gibt es einerseits solche Teilchen, andererseits noch ganz andere? Gegenwärtig können wir keinen Grund hierfür nennen. Solcherlei Asymmetrien waren in der Geschichte der Physik oft ein Zeichen für die Falschheit oder Unvollständigkeit einer Theorie.

Genau an dieser alarmierenden Asymmetrie setzt die Supersymmetrie an. Es soll nach ihr zu jedem Teilchen aus dem Standardmodell einen supersymmetrischen Partner geben. Zum Elektron ein Selektron, zum Gluon ein Gluino, zum Graviton ein quasi doppelt-hypothetisches Gravitino usw. SUSY ist damit weniger eine spezielle Theorie, als ein möglicherweise real geltendes Prinzip, ein symmetrisches Rahmenwerk, dass Fermionen und Bosonen eint.

Als Symmetrie aber ist SUSY, wie der Name schon sagt, super. Denn sie ist eine maximal mögliche Symmetrie. Jedem Standardmodellteilchen wird ein Superpartner zugeordnet, der exakt dieselben Eigenschaften hat, bis auf eines – der Spin. Ein SUSY-Teilchen ist der Theorie nach also zunächst nichts weiter als sein Standardmodellteilchen mit genau vertauschtem Spin. Da ein Fermion beispielsweise im Standardmodell einen halbzahligen Spin aufweist, muss sein SUSY-Partner einen ganzzahligen Spin haben. Folglich hat der supersymmetrische Partner eines Standardbosons mit ganzzahligem Spin einen halbzahligen Spin.

Als erste Konsequenz verdoppelt sich die Anzahl der Elementarteilchen, wenn jedes Standardteilchen einen supersymmetrischen Partner zugewiesen bekommt. Eine andere Konsequenz aber ist von noch kolossalerer Bedeutung: Wenn die Supersymmetrie wirklich ein Grundprinzip unseres Universums sein sollte, so wären Kraft- und Materieteilchen identisch! Die wahrliche Summe aller Elementarteilchen wäre höchstsymmetrisch. Warum? Wie bereits ausgeführt hatten wir mit dem Standardmodell bislang auf der einen Seite Materie-, auf der anderen Wechselwirkungsteilchen. Diese Teilchenarten unterscheiden eigentlich nur hinsichtlich ihres Spins (siehe auch: Standardmodell) Die Materieteilchen des S. haben einen halbzahligen, die Wechselwirkungsteilchen einen ganzzahligen Spin. Mit den symmetrischen Superpartnern würde jetzt aber jedes halbzahlige Teilchen einen ganzzahligen Partner und jedes ganzzahlige einen halbzahligen Partner bekommen. Die Schwierigkeit mit der Asymmetrie wäre nicht mehr vorhanden.

2. Problemlöser

Neben ihrer Funktion als Asymmetriebrecher zwischen Fermionen und Bosonen könnte die Supersymmetrie noch in vielerlei weiterer Hinsicht als Problemlöser fungieren. Sowohl in der Teilchenphysik selbst, aber auch in der Astronomie, der GUT-Forschung, der Stringforschung (siehe unten: Verweise) offenbart sie dieses Potential.

Auch wenn das Standardmodell in grandioser Schlichtheit unheimlich viele Zusammenhänge zwischen den bekannten Teilchen darstellen kann, so kann es dennoch, so ist sich die Fachwelt einig, nicht das letzte Wort in Sachen Teilchenphysik sein. Denn einige Probleme lassen sich mit dem Standardmodell nicht ausreichend oder gar nicht erklären, weshalb man über Theorien jenseits des Standardmodells spekuliert. Die bekannteste und zugleich vielversprechendste unser diesen Theorien ist die Supersymmetrie. Das Standardmodell zeigt uns beispielsweise hervorragend, welches Teilchen welche Masse hat. Sobald wir aber fragen, warum ein Teilchen genau diese und nicht jene Masse hat, ist das Standardmodell überfragt. Oder nehmen wir die Anzahl der Fermionen. Warum gerade drei? Warum nicht zwei, eins, eintausend? Warum sechs Leptonen, wenn in unserem Alltag doch nur das Elektron relevant ist? Warum gibt es ein solches Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie? Was ist Gravitation? Auch auf all diese Fragen über die tieferen Zusammenhänge in der Teilchenphysik keine Antwort. Die Supersymmetrie aber schon, sie kann diese und noch viele weitere Probleme auflösen und für die theoretische Physik ist das mehr als großartig.

3. Krise

In dem heutigen Teilchenbeschleuniger erreichen wir ungeheuer hohe Energielevel, wie sie zuvor noch nie künstlich auf der Erde erzeugt worden. Am LHC am CERN beispielsweise mehrere Billionen Elektronenvolt und noch vor zehn Jahren hätten wohl alle Teilchenphysiker prognostiziert, dass man die supersymmetrischen Teilchen unter solchen Energiemengen finden würde. Doch es sollte anders kommen. Bis heute haben wir nicht ein einziges SUSY-Teilchen entdeckt. Das kann zwei Gründe haben: Entweder die Standardteilchen haben gar keine umgespinten Zwillingsteilchen. Oder aber die SUSY-Teilchen sind um ein Vielfaches schwerer als ihre Standardzwillinge.

Aufgrund des ungeheuren Erklärungspotentials hoffen vor allem die theoretischen Physiker auf Szenario zwei: Die SUSY-Teilchen sind einfach verdammt schwer. So schwer, dass die Energien der Beschleunigerexperimente bisher nur nicht ausreichten, um ein SUSY-Teilchen hervorzubringen. Nur wegen ihren hohen Massen seien die SUSY-Teilchen bisher unentdeckt.

Dies ist vorerst eine Rettung der Idee von den supersymmetrischen Teilchen. Gleichzeitig aber auch ein Eingeständnis. Denn die SUSY-Teilchen würden sich in diesem Fall nicht nur bezüglich ihres Spins, sondern auch in ihrer Masse signifikant voneinander unterscheiden. Die höhere Masse zieht eine gebrochene Symmetrie nach sich. Jedes Quark, jedes Tau-Neutrino und jedes Anti-charm-quark hat somit seinen superschweren Partner mit entgegengesetztem Spin.

Ein praktisches Problem bei der Forschung zu supersymmetrischen Teilchen ist deren Kurzlebigkeit. Schon kurz nach ihrem Entstehen zerfallen SUSY-Teilchen nämlich, immer und immer wieder, es entstehen sog. Zerfallsketten. Den Physikern bleibt dann nur noch die Retroperspektive. Will heißen die praktischen Physiker messen das Endprodukt einer Zerfallskette und die theoretischen Physiker müssen dann pingelig genau den Vorgang rückwärtsgerichtet mathematisch extrapolieren, um herauszufinden, welche Anfangsprodukte im Spiel gewesen sein könnten. Ein unheimlich komplexes Unterfangen.

Schon seit Jahrzehnten tüfteln Physiker nun schon an der Supersymmetrie und möchten sie trotz der vielen herben, experimentellen Rückschläge nicht aufgeben. Denn ihr theoretisches Erklärungspotential ist wie gesehen gigantisch. Im Jahre 2015 soll der weltleistungsstärkste Teilchenbeschleuniger LHC seine höchstmögliche Betriebsenergie erreichen. Dieses Ereignis gilt als die Masterprobe für SUSY. Entweder sie wird bestätigt – oder ihr Nachweis bleibt auch weiterhin aus, was die Teilchenphysik in eine tiefe Krise stürzen und zu einem epochalen Paradigmenwechsel zwingen könnte. Denn die Fragen, die SUSY einst beantworten sollte, würden noch immer im Raum stehen und einem Lösungskonzept harren.

4. Verweise

  • Dunkle Materie: Von einigen Experten werden die Superteilchen sogar als Anwärter auf die Dunkle Materie gehandelt. Oder gar auf die Dunkle Energie, die allein nach gegenwärtigen Berechnungen rund 72% des Energie-/Materieanteils unseres Universums ausmachen müsste.

 

  • Falsifikationismus: Die höhere-Massen-Hypothese bezüglich der SUSY-Partner würde sich für Popper wohl durch ihren ad-hoc-Charakter disqualifizieren. Ansonsten könnte man die Masse ja immer weiter und weiter nach oben schrauben und bei jedem missglücktem Versuch eines Nachweises behaupten: „Wir brauchen größere Beschleuniger. Dann finden wir die SUSY-Teilchen.“

 

  • GUT: Selbst bei der Formulierung einer Vereinheitlichten Feldtheorie würde uns SUSY extrem weiterhelfen. Man kann solche zwar auch ohne Supersymmetrie vollständig und in sich konsistent formulieren, aber dann braucht es wieder viele ad-hoc-Hypothesen. Einige Parameter muss man auf bis zu 14 Stellen nach dem Komma anpassen, damit sie in die reale Welt passen. Ein solches „Feintuning“ ist wenig elegant und sehr künstlich, mit der SUSY jedoch hätten wir dieses Problem nicht.

 

  • Higgs-Boson: Die Geschichte des Higgs-Boson kann als Bestärkung für die unermüdlichen SUSY-Anhänger gelesen werden. Auch hier hatte man allein aufgrund des Glaubens an ein symmetrisches Universum eine physikalische Entität postuliert. Auch hier hatte man Jahrzehnte lang an den Teilchenbeschleunigern geforscht, gelernt und weitergeforscht. Und nach vierzig Jahren hatte man das Higgs-Boson gefunden und die moderne Teilchenphysik um eine kleine Revolution bereichert.

 

  • Naturkonstante: Warum sind die Naturkonstanten genauso stark, wie sie sind? Diese Frage ist beinahe äquivalent zu der philosophischen, warum die Welt genau so ist, wie sie ist und selbst bei diesem Problem könnte SUSY uns vielleicht weiterhelfen.

 

  • Quantengravitation: An anderer Stelle schon einmal angeschnitten, aber man kann es eigentlich nicht oft genug sagen: SUSY bietet uns ein mögliches Schlupfloch aus der Nichtrennomierbarkeit.

 

  • Quark: Das Squark ist der supersymmetrische Partner des Quark.

 

  • Stringtheorie: Die Stringtheorie ist eine vielverheißende Quantengravitationstheorie. Doch nicht nur ihr enormes Erklärungspotential bezüglich der großen Fragen der Physik und Naturphilosophie hat sie mit SUSY gemein, nein die Stringtheorie selbst ist supersymmetrisch. Leider muss sich die Physik eine weitere Gemeinsamkeit eingestehen: SUSY und die Stringtheorie konnten trotz großer Bemühungen bislang nicht empirisch belegt werden und sind somit nichts weiter als Theorien. Zugegeben sehr gute Theorien.

 

  • Symmetrie: Symmetrien kennt jeder von uns. Zum Beispiel ist mein Spiegelbild spiegelsymmetrisch zu meinem Körper. Mit ein wenig Abstraktionsvermögen und gutem Willen lässt sich hieraus das physikalische Verständnis von Symmetrie ableiten: Eine physikalische Entität ist symmetrisch, wenn sie invariant gegenüber gewissen Transformationen ist. Zum Beispiel bin ich spiegelsymmetrisch, wenn sich beim Spiegeln mein Bild hinsichtlich einiger Merkmale nicht ändert. Analog ist es bei Operationen wie dem Ortswechsel (Translationssymmetrie), dem Rotieren (Rotationssymmetrie) und eben auch bei der Supersymmetrie.

 

  • Teilchenbeschleuniger: Durch die Kollision von Teilchen mit anderen Teilchen oder feststehenden Targets in geradlinigen oder geschlossenen Beschleunigern kann die moderne Physik einiges über den Aufbau, die Strukturen und Wechselwirkungen kleinster Teilchen erfahren. Oft werden hierbei neue Teilchen erzeugt, wohlmöglich ab 2015 am LHC auch supersymmetrische Teilchen. Es bleibt spannend.

 

  • Teilchenphysik: Nach derzeitigem Kenntnisstand gehören Quarks zu den grundlegendsten Teilchen überhaupt. Vielleicht sind es nicht die grundlegendsten, aber grundlegender als alles, was wir sonst je gefunden haben.

 

 

  • Urknall: In der Zeit nahe dem Urknall dürften die supersymmetrischen Teilchen eine enorm wichtige Rolle gespielt haben. Danach sind sie wohlmöglich zerfallen oder haben sich durch Annihilation gegenseitig vernichtet und nur die leichten Standardteilchen sind übrig geblieben. Eine Ausrede, weswegen wir sie in unseren Beschleunigern nicht wieder erzeugen können sollten, ist dies wohlgemerkt aber nicht. Aber vielleicht sind ja wirklich solche Energien wie damals beim Urknall nötig, um SUSY zu beweisen? Diese werden wir beim besten Willen nie erzeugen können und so ist es vielleicht das Los von SUSY auf ewig eine richtige Theorie zu sein, aber nie bewiesen zu werden.

 

  • Weltformel: Es ist letztendlich sekundär, ob SUSY als Theorie nun zutreffend ist oder nicht. Ein noch einmal viel tiefgreifenderes Metagesetz, ein Prinzip nach dem sich Naturgesetze und fundamentale Zusammenhänge finden lassen, haben wir mit der Grundidee der Symmetrie gefunden und egal, wie die großen Theorien der Zukunft aussehen mögen, schon jetzt können wir sagen, dass sie höchstwahrscheinlich symmetrisch sein werden.

 

Stand: 2014

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