Prof. Dr. Thomas Mannel
Es ist die wohl bedeutendste, am besten überprüfte Theorie in der Menschheitsgeschichte und sie beschreibt die grundlegenden Bausteine der Materie sowie die Kräfte zwischen ihnen: das Standardmodell der Elementarteilchenphysik. Siegener Forschende verbessern laufend die Berechnungen, die sich aus diesem Modell ergeben, um so selbst winzige Abweichungen zu experimentellen Daten aufzuspüren. Denn das könnten Hinweise auf eine Welt jenseits der bekannten Physik sein.
Wer im Internet ein Geschenk für Physik- Studierende oder Physiklehrer sucht, findet T-Shirts mit einem Aufdruck wie »Niemand ist perfekt. Aber als Physiker ist man verdammt nah dran«. Oder solche, auf denen gut leserlich die Formel des Standardmodells prangt. Es ist verblüffend: Mathematisch lassen sich alle Eigenschaften der fundamentalen Teilchen und ihrer Wechselwirkungen tatsächlich in vier knappe Zeilen fassen. Worte braucht es sehr viel mehr.
Das Standardmodell kennt als fundamentale Teilchen die Quarks. Aber hat man nicht in der Schule gelernt, dass sich unsere stoffliche Welt aus Atomen zusammensetzt? Und dass ein Atom aus einem Atomkern und Elektronen besteht, wobei der Atomkern wiederum aus Neutronen und Protonen aufgebaut ist? Wo bleiben da die Quarks?
Diese Lücke zwischen Schulwissen und seinem Fach zu schließen, ist Professor Dr. Thomas Mannel, theoretischer Teilchenphysiker der Universität Siegen, gewohnt: »Die Neutronen und die Protonen im Atomkern bestehen aus jeweils drei Quarks: Die Neutronen aus einem Up- und zwei Down-Quarks, die Protonen aus zwei Up- und einem Down-Quark.« Somit scheint die uns bekannte sichtbare Materie aus Up- und Down-Quarks sowie Elektronen zu bestehen.
Die schwersten Quarks im Blick
Doch das ist laut Standardmodell noch längst nicht alles. Tatsächlich existieren vom Up- und vom Down-Quark sowie vom Elektron, die als Teilchen der ersten Generation bezeichnet werden, für Sekundenbruchteile schwerere Kopien. Und von diesen Teilchen der zweiten Generationen noch einmal schwerere Kopien. »Wir in Siegen beschäftigen uns speziell mit dieser dritten Teilchen-Generation«, sagt Mannel. »Wir versuchen durch immer präzisere Berechnungen herauszufinden, ob das Standardmodell auch für diese Generation streng gültig ist.«
Die zwei Quark-Sorten der dritten Generation tragen die Namen top und bottom. Sie sind genauso wie die Quarks der zweiten Generation instabil und zerfallen in leichtere Quarks. Die Quarks der zweiten und dritten Generation erscheinen zunächst wie unnötige Vervielfältigungen der Natur – von denen niemand genau weiß, warum es sie gibt. Doch das Standardmodell beschreibt ihre Existenz. Und an riesigen Beschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) am Forschungszentrum CERN in Genf, in dem Protonen annähernd mit Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen, konnten sie – meist auf indirekte Weise – als Produkte dieser Crashs nachgewiesen werden. Indirekt deshalb, weil einzelne, freie Quarks nicht existieren. So wie die Up- and Down-Quarks als Teilchen der ersten Generation etwa in den Protonen oder den Neutronen eingesperrt sind, so kommen auch die schwereren Quarks mit Ausnahme des Top-Quarks stets in Bindungszuständen vor. Das Top- Quark und viele andere beim Crash erzeugte Teilchen wiederum zerfallen so schnell, dass die Forschenden deren Eigenschaften anhand der Zerfallsprodukte rekonstruieren müssen.
Jahrzehntelang stimmten alle theoretischen Berechnungen auf Basis des Standardmodells mit den experimentellen Daten überein. Als Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler 2012 am CERN das sogenannte Higgs-Teilchen nachweisen konnten, war dies ein weiterer Triumph des Modells, denn auf seiner Grundlage hatten Physiker schon in den 1960er Jahren die Existenz dieses Teilchens vorhergesagt. Es gehört zu dem Mechanismus, der die Masse von Elementarteilchen erklärt.
Doch seit rund zehn Jahren findet man Abweichungen zwischen Berechnungen und Experimenten. »Die Spezialisierung hier in Siegen auf die dritte Generation hat etwas damit zu tun, dass deren Teilchen so schwer sind. Deshalb weisen sie die stärkste Kopplung an das masseverleihende Higgs-Teilchen auf und haben ganz spezielle Eigenschaften «, erläutert Mannel. »Tatsächlich treten hier die beobachteten, scheinbaren Abweichungen zwischen theoretischen Berechnungen und Messergebnissen vorzugsweise auf.« Das Thema sei daher »aktuell der Renner in der Teilchenphysik «.
»Die Abweichungen sind allerdings nicht groß genug, um definitiv sicher sein zu können, ob wirklich etwas dahintersteckt, das nur mit der Existenz bisher unbekannter Teilchen und Kräfte zu erklären ist«, sagt Mannels Kollege Professor Dr. Alexander Lenz. Denn alle Werte aus den Berechnungen der ElementarteilchenphysikerInnen sind – ebenso wie Messergebnisse – mit einer gewissen Unsicherheit behaftet. WissenschaftlerInnen verwenden dabei den Begriff der Unsicherheit auf eine spezielle Weise: Die Unsicherheit grenzt einen Wertebereich ein, in dem mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit der wahre Wert liegt. Mannel, Lenz und die anderen Theoretiker des Transregio- Sonderforschungsbereich (TRR/SFB) »Phänomenologische Elementarteilchenphysik nach der Higgs-Entdeckung « der Deutschen Forschungsgemeinschaft haben es sich daher zur Aufgabe gemacht, die Unsicherheiten bei den berechneten Werten zu verringern und somit das Vertrauen in die Ergebnisse zu stärken. Neben den Siegener Forschenden gehörten dem TRR/SFB TeilchenphysikerInnen des Karlsruher Instituts für Technologie und der RWTH Aachen an.
Die Siegener TheoretikerInnen arbeiten aber nicht nur an immer präziseren Rechnungen, sondern sie gehen bereits einen Schritt weiter: Sie versuchen, alternative Modelle zu entwickeln. »Wenn mit dem Standardmodell irgendwas nicht stimmen sollte, dann braucht man etwas anderes. Doch solche Alternativen zu konstruieren ist alles andere als einfach, weil es eben auch jede Menge Daten gibt, die extrem genau mit dem Standardmodell übereinstimmen«, sagt Mannel.
Die ElementarteilchenphysikerInnen weltweit suchen angestrengt nach neuen Modellen, weil das Standardmodell keine Erklärungen für bestimmte Phänomene im Universum liefert. Neben dem Rätsel um die Dunkle Materie gehört dazu auch die Schwerkraft. Daher sehen viele Teilchenphysikerinnen und Teilchenphysiker das Standardmodell als eine Theorie an, die im Bereich vergleichsweise niedriger Energien als Grenzfall einer weitreichenderen Theorie funktioniert. So etwas kennt man bereits beispielsweise aus der Mechanik: Die klassische Mechanik, deren Grundsätze Isaac Newton bereits Ende des 17. Jahrhunderts formulierte, beschreibt alle physikalischen Phänomene bei Geschwindigkeiten und Abständen des Alltagslebens korrekt. Heute weiß man aber, dass die klassische Mechanik nur ein Grenzfall umfassenderer Theorien – Relativitätstheorie und Quantenmechanik – ist.
Das Ideal wäre, die größten und kleinsten Phänomene unserer Welt mit einer einzigen Theorie umfassend zu erklären. Bei der globalen Suche nach dieser Weltformel nehmen die Theoretikerinnen und Theoretiker aus Siegen eine bedeutsame Rolle ein. Ein T-Shirt-Aufdruck »Das Standardmodell ist nicht perfekt. Aber Siegener Berechnungen sind ganz nah dran an der Perfektion« wäre treffend. Aber die WissenschaftlerInnen machen lieber durch hervorragende Fachveröffentlichungen auf sich aufmerksam.