"Ich vergleiche es gern mit Wartungsarbeiten, die man am Hubble-Space-Teleskop machen muss. Das ist 300 Kilometer über uns. Der Detektor ist 80 Meter unter uns. Aber die Zugänglichkeit ist ähnlich problematisch!"
CERN, das Europäische Laboratorium für Teilchenphysik in Genf. Ingenieur Markus Joos betritt einen Fahrstuhl, der ihn 80 Meter in die Tiefe befördert. ATLAS, so heißt das Ziel – der größte Teilchendetektor der Welt. Er steht am stärksten Beschleuniger aller Zeiten, dem LHC. Wissenschaft im Riesenformat.
"Jetzt trennt uns noch eine Tür vom ATLAS-Detektor. Und da schauen wir jetzt mal rein. Der Detektor ist 25 Meter hoch, 45 Meter lang und wiegt etwa 7000 Tonnen. Wir stehen am Ende von diesem Detektor und schauen jetzt auf eine Komponente, die teilweise ausgebaut wurde, um Zugang zu den inneren Strukturen vom Detektor zu bekommen."
Um an das Herz von ATLAS zu kommen, müssen sich die Fachleute aufwendig durch etliche Schichten aus Sensoren, Kabeln und Elektronik arbeiten. Der Aufwand dient vor allem einem Zweck: endlich eine Sorte von Teilchen zu entdecken, die bislang nur in den Hirnen der Theoretiker herumspukt – supersymmetrische Teilchen.
Vorstoß in die Schattenwelt. Teil 2: Jagd auf SUSY
Von Frank Grotelüschen
"Wir bewegen uns vom alten griechischen Philosophen Demokrit weg, der das Atom erfunden hat als letzten unzerstörbaren Baustein der Materie, und bewegen uns zu auf den anderen Philosophen Plato, der in seinem Höhlengleichnis gesagt hat: Die Schatten, das heißt die Ideen, sind eigentlich die letzten Realitäten."
"Und die Symmetrien, die wir jetzt als eigentlich die letzten Prinzipien ansehen, sind ja etwas Abstraktes!"
"”Am Anfang, in den frühen 70er-Jahren, war das bloß eine mathematische Idee. Niemand wusste, ob das irgendwas mit der Natur zu tun hat. Dann aber merkte man: Die Supersymmetrie könnte durchaus wichtig sein für die Beschreibung unserer Welt.""
Die Supersymmetrie, kurz SUSY. Eine hypothetische Theorie. Sie geht deutlich über jenes Bild hinaus, das sich Physiker bislang von unserer Welt machen – das Standardmodell der Teilchenphysik.
"”Das Standardmodell beschreibt unser heutiges Verständnis von der Welt der Elementarteilchen – den Grundbausteinen unserer Materie. Da wären die Quarks. Aus ihnen bestehen Protonen und Neutronen, die Bestandteile der Atomkerne. Dann die Elektronen, sie bilden die Hülle der Atome. Die Elektronen besitzen – ebenso wie Quarks – schwere, instabile Brüder. Dann gibt es noch Neutrinos, extrem leichte und flüchtige Teilchen. Außerdem das Higgs-Teilchen, es hat mit der Masse zu tun. Und schließlich noch Teilchen wie das Photon – sie übermitteln die verschiedenen Naturkräfte.""
Das Standardmodell – ein regelrechter Teilchen-Zoo als Baukasten der Materie. Aus einigen dieser Teilchen sind jene Atome und Moleküle zusammengesetzt, die unsere Materie aufbauen. Andere sind dafür da, die zwischen der Materie wirkenden Naturkräfte zu übermitteln – die elektromagnetische Kraft und zwei Sorten von Kernkräften. Zwar vermag dieses Standardmodell die meisten Phänomene in unserer Welt zu erklären. Aber eben nicht alle.
Woraus besteht jene dunkle Materie, die die Galaxien im Weltall zusammenhält wie ein rätselhafter Klebstoff?
Gibt es einen tieferen mathematischen Zusammenhang zwischen Materiebausteinen und Kräfteteilchen?
Warum ist das Higgs-Teilchen, das man 2012 am CERN entdeckt hat, so erstaunlich leicht?
Sind die verschiedenen Naturkräfte in Wirklichkeit nur Facetten einer einzigen Urkraft?
Fragen, die die Physiker seit langem umtreiben. Antworten versprechen sie sich von SUSY, der Supersymmetrie.
"Die Supersymmetrie ist deshalb so revolutionär, weil sie eine neue Art von Raumzeit beschreibt. Die Raumzeit von Albert Einstein besitzt vier Dimensionen: die drei Raumrichtungen sowie die Zeit. SUSY dagegen basiert auf einer deutlich komplexeren Raumzeit mit merkwürdigen mathematischen Eigenschaften. Bei SUSY wird der Raum zum Superraum, und jedes Teilchen, das sich durch diesen Superraum bewegt, erhält ganz neue Eigenschaften."
Einsteins Relativitätstheorie basiert auf einem zentralen Grundsatz: Die Gesetze der Physik sind immer gleich, egal wo und wann. Der Apfel fällt immer gleich schnell vom Stamm, ob in Berlin oder New York, ob letzte Woche oder in 100 Jahren. Damit sind Einsteins Gesetze mathematisch gesehen hochsymmetrisch. Lange dachten die Physiker, Einsteins Relativitätstheorie bilde die größtmögliche Symmetrie, die man sich überhaupt vorstellen kann. Aber:
"Es gibt noch eine größere Symmetrie, und das ist die Supersymmetrie."
Michael Krämer, Professor für theoretische Physik, RWTH Aachen.
"Es ist tatsächlich die einzige verbleibende Symmetrie, die man in der Natur noch finden könnte. Das weiß man aus theoretischen Gründen: Es gibt, wenn es noch eine weitere Symmetrie gibt, nur diese! Und man würde sich wundern, wenn die Natur diese Möglichkeit nicht genutzt hätte."
Die Symmetrie, die hinter SUSY steckt, ist hochabstrakt und wenig anschaulich. Sie hat mit einer seltsamen Quanteneigenschaft der Elementarteilchen zu tun – dem Spin. Bildlich gesprochen ist der Spin so etwas wie der Eigendrall eines Teilchens. Die Physiker unterscheiden dabei zwei Gattungen: Teilchen mit dem Spin 1/2, das sind Materieteilchen. Und Teilchen mit dem Spin 1, das sind Kräfteteilchen. Das Besondere an SUSY, der Supersymmetrie:
"Man stellt eine Beziehung zwischen diesen Materieteilchen und den Kräfteteilchen her, die man vorher nicht hatte. Das ist das Faszinierende an der Supersymmetrie."
Bei SUSY sind nicht nur Raum und Zeit symmetrisch, sondern auch Kräfte und Materie. Mehr Symmetrie geht nicht. Nur: Entspricht das Konzept auch der Wirklichkeit? Wenn SUSY stimmt, hätte das Folgen. Dann müsste es ein Schattenreich geben. Die Zahl der Elementarteilchen – sie wäre glatt verdoppelt.
"Die Teilchen sind jeweils die Partner der Teilchen im Standardmodell. Im Standardmodell hat man zum Beispiel Elektronen. Und dazu gibt es ein Partnerteilchen, das supersymmetrische Elektron. Dann gibt es Partner zu den Quarks – supersymmetrische Quarks. Und es gibt Partnerteilchen zu den Teilchen, die die Kräfte vermitteln. Und alle diese Teilchen unterscheiden sich von den Standardmodell-Teilchen zunächst mal nur im Spin."
Namen für diese Schattenteilchen haben die Physiker schon parat:
"Selektron und Squark."
Dem SUSY-Partner eines Materieteilchens wird ein S vorgesetzt.
"Photino, Gluino."
Dem Partner eines Kraftteilchen hängt man ein "ino" an.
"Wino und Zino."
Sollte es diese Schattenteilchen geben, würde man klarer sehen in der Teilchenphysik. Dann wüsste man, wie Kräfte und Teilchen mathematisch zusammenhängen und warum das Higgs-Teilchen so leicht ist. Womöglich hätte man das Geheimnis der dunklen Materie gelüftet und den Weg entdeckt zu einer Vereinheitlichung der Naturkräfte. Dazu aber müsste man die SUSY-Teilchen finden. Oder sie künstlich erzeugen – mit dem stärksten Beschleuniger aller Zeiten, dem LHC in Genf.
Ein unterirdischer Ring, 27 Kilometer groß. Beschleunigt Protonen auf enorme Energien und lässt sie mit voller Wucht zusammenprallen. Riesige Detektoren beobachten diese Kollisionen, der größte von ihnen ist ATLAS. CERN-Ingenieur Markus Joos steht direkt vor dem Giganten, hoch wie ein Bürohaus.
"Die Kollisionen von den Protonenstrahlen finden genau im Zentrum vom Detektor statt – etwa zwölf Meter von der Position hier, wo wir stehen. Wenn dort die Protonen zusammenstoßen, entstehen gewisse sekundäre Teilchen aus den Kollisionen. Man hat so etwa 1000 einzelne Bruchstücke, die man genau detektieren muss."
Diese Bruchstücke setzen die Physiker in aufwendigen Computeranalysen digital zusammen. Dadurch können sie rekonstruieren, welche Teilchen bei den Kollisionen entstanden sind und ob neue, bislang unentdeckte Elementarteilchen darunter sind. Eine enorme Geduldsarbeit.
"Man muss sich das so vorstellen, als wenn man auf einem Analogfilm 30 Landschaften übereinander belichtet. Und die Aufgabe von den Computern, die die Daten rekonstruieren, besteht im ersten Schritt darin, diese 30 Einzelereignisse voneinander zu trennen."
Auf diese Weise spürten die Physiker im letzten Sommer das Higgs auf – den letzten noch fehlenden Baustein des Standardmodells. Damit hatte der LHC eines seiner großen Ziele erreicht. Ein anderes, in Fachkreisen als noch spannender erachtet: SUSY-Teilchen zu erzeugen und nachzuweisen.
"Es gab zwischen 1970 und ’75 Versuche, den Begriff der Symmetrie zu erweitern. Das wäre ein großer Fortschritt im Verständnis der Natur."
Julius Wess, Erfinder der Supersymmetrie, 2002.
"Wir wussten ja nicht, wozu es führt."
Im März 2010 startete der LHC mit der Datennahme, die Messungen liefen bis Ende 2012. Das Higgs-Teilchen hat der Beschleuniger im letzten Sommer entdeckt – ein Triumph für das Standardmodell. Doch ist er auch auf Spuren von SUSY gestoßen?
"Bisher leider nicht."
Volker Büscher, Professor für Experimentalphysik, Universität Mainz.
"In keinen Analysen haben wir irgendwelche Anzeichen auf supersymmetrische Teilchen gefunden."
Weder ATLAS noch die anderen Detektoren am LHC fanden auch nur die geringsten Indizien. Die Fachleute sind enttäuscht.
"Ja, ein bisschen schon. Eigentlich hatte ich gehofft, dass wir da was sehen."
"Die Erwartungen, die Supersymmetrie mit dem LHC zu entdecken, waren enorm. Bislang aber haben wir nichts gesehen. Und da ist die Enttäuschung natürlich groß."
"Ich hätte persönlich, das muss ich zugeben, erwartet, dass man schon was sieht. Das sah einfach sehr plausibel, konsistent und theoretisch gut motiviert aus."
Symmetrien waren der Physik stets ein zuverlässiger Wegweiser. Einsteins Relativitätstheorie beruht darauf, ebenso das Standardmodell. Verständlich, dass die Physiker beim Versuch, ein neues, grundlegendes Weltbild zu schmieden, derselben Strategie folgen und sich wieder von Symmetriegedanken leiten lassen: Je symmetrischer die Formeln und Gesetze einer Theorie, umso schöner und eleganter erscheinen sie dem Experten. Die Supersymmetrie ist das Paradebeispiel für diese Philosophie – Symmetrie in Reinform. Doch nun die Ernüchterung: Keinerlei Anzeichen von SUSY, nicht die geringste Spur. Ist der Weg also falsch?
"Supersymmetrie kann immer noch stimmen, die Teilchen sind aber vielleicht einfach zu schwer, um sie mit dem LHC zu produzieren und nachzuweisen."
Wie schwer die Schattenteilchen sind und welche Energien man für ihre Erzeugung braucht, verrät die Supersymmetrie nicht – zumindest nicht in ihrer Reinform. Und weil SUSY in dieser Hinsicht ziemlich vage ist, haben die Fachleute im Laufe der Zeit Dutzende von Varianten entwickelt. Manche von ihnen sind mathematisch gesehen einfacher, andere komplexer.
"Diese einfachen Theorien haben wir teils schon ausgeschlossen."
Die einfachen Theorien waren davon ausgegangen, dass SUSY-Teilchen relativ leicht sind. Dann aber hätte sie der LHC bereits entdecken müssen. Also scheinen sie falsch zu sein. Jetzt ruht die Hoffnung auf den komplexeren Varianten.
"Dass man ein paar schöne, einfache Modelle ausgeschlossen hat, beweist ja nicht, dass es nicht noch andere Modelle geben könnte, die dann richtig sind. Es gibt viele mehr, und vielleicht auch noch ein paar, über die wir noch gar nicht nachgedacht haben und die sich erst entwickeln werden, wenn man mehr experimentelle Daten zur Verfügung hat."
Die Strategie der Physiker: mehr Energie für den LHC. Er soll seine Protonen noch stärker beschleunigen und mit größerer Wucht aufeinander feuern, um dadurch noch schwerere Teilchen zu erzeugen – womöglich SUSY-Teilchen. Dafür müssen die Physiker den stärksten Beschleuniger kräftig hochrüsten. Die Umbauarbeiten laufen auf Hochtouren.
"Wir stehen genau vor dem Interconnect. Das ist eins zu eins so, wie es im LHC-Tunnel vorhanden ist. Wir sehen hier, dass schon ein Teil des Magneten geöffnet ist. Die äußere Hülle ist schon abgebaut."
CERN, Halle 180. Hier trainiert das Team von Ingenieur Friedrich Lackner für den großen Umbau. Der Umbau betrifft die Magneten des LHC, die unten im Tunnel die Protonen auf ihrer Kreisbahn halten. Es sind meterdicke Röhren, manche von ihnen lang wie Lastwagen. Sie sind supraleitend und funktionieren nur, wenn sie mit Flüssighelium auf minus 270 Grad Celsius gekühlt werden.
"Wir haben hier in der Halle viele dieser Stücke aufgebaut, um Personal zu trainieren, um Prozeduren zu testen und um Materialien zu testen."
Lackner ist mächtig im Stress, gerade haben die ersten Arbeiten im Tunnel begonnen. Die wichtigste Aufgabe: Ein Teil der Zwischenstücke, die die knapp 10.000 Magneten verbinden, muss ausgetauscht oder neu verlötet werden. Denn genau so ein Zwischenkabel hatte im September 2008, kurz nachdem der LHC gestartet war, für eine böse Überraschung gesorgt. Lackner zeigt auf ein flaches Metallkabel.
"Das Bauteil, das damals versagt hat, sieht man hier unten. Das ist das supraleitende Kabel. In diesem Kabel kam es damals zu einem wie wir sagen Quench: Das heißt, der Supraleiter ist nicht mehr supraleitend, die Temperatur steigt. Der Strom kann nicht mehr über diesen Leiter transportiert werden. Und dementsprechend kommt es dann zu einer Explosion."
Bei der Explosion im September 2008 war das Helium explosionsartig verdampft und hatte die tonnenschweren Magneten aus ihrer Verankerung gerissen. Mehr als ein Jahr dauerte die Reparatur. Um keinen weiteren Unfall zu riskieren, ließen die Verantwortlichen den LHC nur bei der Hälfte der Energie laufen. Denn offenbar war nicht nur das durchgebrannte Kabel schlampig verlötet worden. Auch andere Zwischenstücke hatten sich bei genauer Inspektion als mangelhaft erwiesen. 1500 dieser Zwischenstücke müssen Lackner und sein Team neu löten. Außerdem müssen sie stabilere Plastikschienen für die Isolation einbauen – und zwar für alle 10.000 Zwischenstücke im Ring.
"Wir haben jetzt Zusatzpersonal, um das Team zu verstärken. Wir in unserem Team haben jetzt ungefähr 50 Leute mehr als normal. Wir sind jetzt in Summe ungefähr 70 Leute."
Der Druck ist enorm. Eine schlechte Lötstelle kann reichen, und die Magneten könnten erneut explodieren.
"Natürlich macht das schon ein bisschen nervös. Aber es ist so, dass wir Qualitätssicherungen durchführen. Jeder Arbeitsschritt wird von einem internen Team kontrolliert. Wenn dieses Team einen Schritt nicht als gut empfindet, wird das sofort neu gemacht."
Anderthalb Jahre soll der Umbau dauern – ein enger Zeitplan. Anfang 2015 soll der LHC wieder anlaufen und seine Protonen mit nahezu doppelter Energie aufeinander schießen.
"Wir haben 1974 geschlossen, dass eine Symmetrie dahinterstecken muss und haben versucht, diese Symmetrie zu finden. Ein Teil der Physiker hat sehr schnell auf diese Arbeiten angesprochen und beigetragen zur Weiterentwicklung. Sodass unter den mehr mathematisch orientierten Theoretikern sehr schnelle Akzeptanz war. Viel länger hat es gebraucht, bis unter den sogenannten Phänomenologen, die direkt den Vergleich der Theorie mit dem Experiment machen, bevor es dort wirklich ein Echo gefunden hat."
Die Fachleute hoffen und bangen. Denn der hochgerüstete LHC kann nur Teilchen finden, die höchstens so schwer sind wie das 3000-Fache eines Wasserstoffatoms. Sollten die SUSY-Teilchen schwerer sein, werden sie dem LHC durch die Lappen gehen. Die Suche nach SUSY – sie bleibt ein Unterfangen mit ungewissem Ausgang.
Aber es gibt einen Plan B: Den Indizienbeweis. Er ist kein ungewöhnliches Vorgehen, um zu neuer Erkenntnis zu gelangen. Beispiel Urknalltheorie: Direkt beweisen lässt sich der Big Bang nicht. Er ist ja schon lange vorbei. Stattdessen verlassen sich die Experten auf eine Indizienkette: auf das Vorhandensein von Phänomenen, die ohne Urknall kaum zu erklären sind – die kosmische Hintergrundstrahlung etwa sowie der Umstand, dass sich das Weltall stetig ausdehnt. Ähnlich könnte es auch bei SUSY sein. Das Kalkül: Sollten mehrere unterschiedliche Experimente Messdaten liefern, die nur SUSY schlüssig erklären kann, könnte etwas dran sein an der Supersymmetrie. Ideen dafür gibt es einige:
Experiment 1: E969, Teilchenforschungszentrum Fermilab, Chicago.
"Das Myon ist ein elektrisch geladenes Teilchen. Es ist sowas wie ein schweres Elektron."
Dominik Stöckinger, Professor für theoretische Physik, TU Dresden.
"Man kann es sehr leicht erzeugen und sehr, sehr präzise vermessen. Es verhält sich wie ein Stabmagnet. Wenn man es in ein magnetisches Feld einbringt, will es sich entlang des Magnetfelds ausrichten, genauso wie ein starker Magnet auch."
Das Kalkül: Ein Myon, das in einem Magnetfeld kreist, könnte sich per Quantenfluktuation für einen winzigen Augenblick in seinen Superpartner verwandeln, das Smyon. Dieses Smyon wäre zwar nicht direkt nachweisbar, würde allerdings das Magnetfeld um sich herum ein wenig beeinflussen. Und das, sagt Stöckinger, müsste sich dann messen lassen.
"Und zwar wird ein Ring gebaut mit 20 Metern Durchmesser. In diesem Ring laufen die Myonen im Kreis. Die werden auf einer Kreisbahn gehalten von einem magnetischen Feld. Während sie kreisförmig laufen, dreht sich die Einstellung von diesem magnetischen Moment. Das dreht sich mit einer bestimmten Drehfrequenz. Und diese Drehfrequenz wird gemessen."
2016 sollen die Messungen in Chicago beginnen. Was den Experten Mut macht: Ältere Experimente hatten erste Hinweise geliefert, dass sich das Myon ungewöhnlich verhält.
"Das Ergebnis ist: In der sechsten Nachkommastelle unterscheidet sich der Messwert von der Vorhersage des Standardmodells. Und dieser Unterschied ist genauso groß, dass er durch die Existenz von supersymmetrischen Myonen erklärt werden könnte."
Experiment 2: Neutrinoteleskop IceCube, Antarktis.
"IceCube ist ein Experiment am geografischen Südpol."
Dennis Soldin, Physiker, Universität Wuppertal.
"Bestehend aus optischen Modulen, die Licht messen. Davon sind über 5000 Stück im antarktischen Eis eingelassen, in Tiefen von 1,5 bis 2,5 Kilometern, sodass wir ein Detektor-Volumen von einem Kubikkilometer erreichen."
In erster Linie sollen die Lichtsensoren die Signale flüchtiger Teilchen aufschnappen, die in Unmengen durchs All rasen und mit Materie nur selten interagieren. Dennis Soldin aber ist hinter anderen Teilchen her – supersymmetrischen Teilchen. Diese könnten in der Erdatmosphäre erzeugt werden, wenn energiereiche kosmische Strahlung auf die Lufthülle prallt, und zwar mit ungleich größerer Wucht als im LHC. Manche dieser SUSY-Teilchen sollten in IceCube einschlagen und eine verräterische Leuchtspur hinterlassen.
"Die Signatur im Detektor wäre, dass supersymmetrische Teilchen immer paarweise erzeugt werden. Diese Paare fliegen in Richtung Detektor. Und im Detektor sieht man dann wirklich zwei parallele Spuren. Also zwei parallele Spuren im Detektor suchen wir."
Noch haben die Forscher nichts gefunden – was nicht weiter erstaunlich ist. Denn sie rechnen mit höchstens zehn Einschlägen pro Jahr.
Experiment 3: Teilchendetektor AMS, Internationale Raumstation ISS, Weltall.
"Hier darf nicht jeder rein. Das ist ein Sicherheitsbereich, in den nur registrierte Personen eintreten dürfen."
Das CERN, Gebäude 946. Thomas Kirn steht vor einer Glastür und schiebt seinen Ausweis in den Kartenleser. Die Tür öffnet sich und Kirn, Physiker an der RWTH Aachen, betritt den Kontrollraum: Monitore im Halbrund, an der Wand ein riesiger Flachbildschirm.
"Da ist die Weltkarte zu sehen und die Spur der ISS, welchen Orbit sie gerade bestreitet. Wir können jetzt aktuell sehen: Die ISS befindet sich über China, wird danach Richtung Äquator fliegen, um dann über Südamerika zu fliegen, bis sie dann in Afrika und Europa ankommen wird. Die ISS umkreist die Erde in 90 Minuten."
Von diesem Kontrollraum aus überwachen Kirn und seine Leute das aufwendigste Experiment an Bord der ISS – das Alpha Magnetic Spectrometer, kurz AMS. Groß und schwer wie ein Kleinlaster, Wert 1,5 Milliarden Dollar. AMS ist ein Teilchendetektor im All. Er fängt kosmische Strahlung auf – winzige Teilchen, die mit enormer Geschwindigkeit durchs All rasen. Speziell hat es AMS auf Antimaterie abgesehen – die gespiegelte Variante von gewöhnlicher Materie: Das Elektron etwa und sein Antiteilchen, das Positron, sind identisch bis auf ihre elektrische Ladung: Das Elektron ist negativ, das Positron positiv geladen.
Kirn zeigt auf einen der Bildschirme: ein Schema von AMS, jede Sekunde huscht ein Strich hindurch.
"Das ist das Event-Display des AMS-Experiments. Wir sehen wirklich ein Teilchen, welche Signatur es in jedem Subdetektor hinterlässt."
Seit 2011 ist AMS im All. Jetzt, im April, haben die Forscher ihre ersten Daten präsentiert – aufsehenerregende Daten.
Samuel Ting, Physik-Nobelpreisträger und Chef von AMS:
"In 18 Monaten haben wir 400.000 Positronen registriert – die größte Anzahl von Antimaterie, die je im All gemessen wurde. Und das ist überraschend. An sich hatte man erwartet, dass Positronen ausschließlich durch Zusammenstöße der kosmischen Strahlung mit interstellarem Gas produziert werden. Dann aber hätten es deutlich weniger Positronen sein müssen als wir gemessen haben."
Ein rätselhafter Überschuss an Positronen also. Für sein Zustandekommen gibt es zwei Erklärungsversuche:
"Die eine Erklärung: Die Positronen stammen von Pulsaren. Das sind Neutronensterne, die extrem schnell rotieren und sehr starke Magnetfelder besitzen, mit dem sie die Positronen beschleunigen und ins Weltall schleudern würden. Die andere Möglichkeit aber wären Dunkle-Materie-Teilchen, die laufend im Weltraum kollidieren, dabei zerplatzen und dann schnelle Positronen aussenden."
Teilchen, die hinter der ominösen dunklen Materie stecken und die die Galaxien kraft ihrer Gravitation zusammenhalten – danach suchen die Physiker schon lange. SUSY-Teilchen, insbesondere das Neutralino, gelten als heiße Kandidaten. Denn theoretisch würden sie die passenden Eigenschaften besitzen: relativ schwer, aber elektrisch ungeladen und damit fast unsichtbar für herkömmliche Materie. Zwar lassen die AMS-Ergebnisse noch nicht unterscheiden, ob Pulsare für den Antimaterie-Überschuss verantwortlich sind oder Dunkle-Materie-Teilchen. Doch in ein paar Jahren, mit mehr Messdaten, hofft Samuel Ting die Antwort geben zu können. Für die Verfechter von SUSY jedenfalls liefern die Daten aus dem All immerhin einen vagen Hoffnungsschimmer.
"Mich hat mal nach einem Vortrag, den ich gehalten habe, eine Dame gefragt: Wollen Sie denn damit sagen, wir bestehen aus Symmetrien? Ich habe gesagt: Ja, wir bestehen aus Symmetrien, so merkwürdig das klingen mag."
Klare Indizien fehlen, eindeutige Beweise sowieso. SUSY ist heute ebenso spekulativ wie vor Jahrzehnten – eine Theorie von bestechender mathematischer Eleganz, aber bislang ohne Bezug zur Realität. Wieder ruhen die Hoffnungen auf dem LHC. Ab 2015 wird er mit deutlich höherer Energie laufen und könnte das Tor aufstoßen zum Schattenreich der Supersymmetrie. Findet der LHC nichts, bleibt nur noch die Hoffnung auf einen Indizienbeweis, also auf eine mühselige Suche durch Experimente wie IceCube und AMS. Und auch, wenn selbst diese Experimente nicht den Hauch einer Spur finden – gestorben wäre SUSY damit noch nicht, meint Michael Krämer.
"SUSY kann man gar nicht totkriegen. Man kann immer argumentieren, dass die SUSY-Teilchen eben schwer sind – gerade so schwer, dass man sie nicht gesehen hat. Von daher ist die Theorie flexibel. Ich persönlich finde das ein bisschen frustrierend, weil man nicht klar sagen kann: Damit hat man’s ausgeschlossen. Aber das ist eben eine der Charakteristiken der Supersymmetrie. Es gibt keine richtige Nagelprobe."
Eines aber scheint wahrscheinlich: Findet der LHC nichts, dürften sich viele Experten abwenden von der Supersymmetrie. Dann werden sich nur noch jene Theoretiker mit ihr abgeben, die das Spekulieren lieben. Die sich weniger für Messdaten und harte Fakten interessieren, sondern für mathematische Schönheit und Eleganz. SUSY wäre dann nichts weiter als eine faszinierende Idee – ein Schattenreich der Physik, wunderschön zwar, aber leider ohne jeden Belang.
"Das Konzept ist tatsächlich theoretisch so anziehend, dass ich mir vorstellen kann, dass es irgendwie in der Natur verwirklicht ist. Aber eben möglicherweise nichts mit dem zu tun hat, was wir experimentell nachweisen können. Für die Beschleunigerphysik wäre es dann nicht mehr relevant. Deshalb würde ich wahrscheinlich dann auch auf ein anderes Pferd umsatteln."
Sie hörten Teil 2 der Reihe "Vorstoß in die Schattenwelt": Jagd auf SUSY.
Von Frank Grotelüschen.
Produktion: Friederike Wigger, Redaktion: Christiane Knoll.
Den dritten und letzten Teil, "Der dunkle Teil des Universums", hören Sie in "Wissenschaft im Brennpunkt" am 2. Juni um 16.30 Uhr.
CERN, das Europäische Laboratorium für Teilchenphysik in Genf. Ingenieur Markus Joos betritt einen Fahrstuhl, der ihn 80 Meter in die Tiefe befördert. ATLAS, so heißt das Ziel – der größte Teilchendetektor der Welt. Er steht am stärksten Beschleuniger aller Zeiten, dem LHC. Wissenschaft im Riesenformat.
"Jetzt trennt uns noch eine Tür vom ATLAS-Detektor. Und da schauen wir jetzt mal rein. Der Detektor ist 25 Meter hoch, 45 Meter lang und wiegt etwa 7000 Tonnen. Wir stehen am Ende von diesem Detektor und schauen jetzt auf eine Komponente, die teilweise ausgebaut wurde, um Zugang zu den inneren Strukturen vom Detektor zu bekommen."
Um an das Herz von ATLAS zu kommen, müssen sich die Fachleute aufwendig durch etliche Schichten aus Sensoren, Kabeln und Elektronik arbeiten. Der Aufwand dient vor allem einem Zweck: endlich eine Sorte von Teilchen zu entdecken, die bislang nur in den Hirnen der Theoretiker herumspukt – supersymmetrische Teilchen.
Vorstoß in die Schattenwelt. Teil 2: Jagd auf SUSY
Von Frank Grotelüschen
"Wir bewegen uns vom alten griechischen Philosophen Demokrit weg, der das Atom erfunden hat als letzten unzerstörbaren Baustein der Materie, und bewegen uns zu auf den anderen Philosophen Plato, der in seinem Höhlengleichnis gesagt hat: Die Schatten, das heißt die Ideen, sind eigentlich die letzten Realitäten."
"Und die Symmetrien, die wir jetzt als eigentlich die letzten Prinzipien ansehen, sind ja etwas Abstraktes!"
"”Am Anfang, in den frühen 70er-Jahren, war das bloß eine mathematische Idee. Niemand wusste, ob das irgendwas mit der Natur zu tun hat. Dann aber merkte man: Die Supersymmetrie könnte durchaus wichtig sein für die Beschreibung unserer Welt.""
Die Supersymmetrie, kurz SUSY. Eine hypothetische Theorie. Sie geht deutlich über jenes Bild hinaus, das sich Physiker bislang von unserer Welt machen – das Standardmodell der Teilchenphysik.
"”Das Standardmodell beschreibt unser heutiges Verständnis von der Welt der Elementarteilchen – den Grundbausteinen unserer Materie. Da wären die Quarks. Aus ihnen bestehen Protonen und Neutronen, die Bestandteile der Atomkerne. Dann die Elektronen, sie bilden die Hülle der Atome. Die Elektronen besitzen – ebenso wie Quarks – schwere, instabile Brüder. Dann gibt es noch Neutrinos, extrem leichte und flüchtige Teilchen. Außerdem das Higgs-Teilchen, es hat mit der Masse zu tun. Und schließlich noch Teilchen wie das Photon – sie übermitteln die verschiedenen Naturkräfte.""
Das Standardmodell – ein regelrechter Teilchen-Zoo als Baukasten der Materie. Aus einigen dieser Teilchen sind jene Atome und Moleküle zusammengesetzt, die unsere Materie aufbauen. Andere sind dafür da, die zwischen der Materie wirkenden Naturkräfte zu übermitteln – die elektromagnetische Kraft und zwei Sorten von Kernkräften. Zwar vermag dieses Standardmodell die meisten Phänomene in unserer Welt zu erklären. Aber eben nicht alle.
Woraus besteht jene dunkle Materie, die die Galaxien im Weltall zusammenhält wie ein rätselhafter Klebstoff?
Gibt es einen tieferen mathematischen Zusammenhang zwischen Materiebausteinen und Kräfteteilchen?
Warum ist das Higgs-Teilchen, das man 2012 am CERN entdeckt hat, so erstaunlich leicht?
Sind die verschiedenen Naturkräfte in Wirklichkeit nur Facetten einer einzigen Urkraft?
Fragen, die die Physiker seit langem umtreiben. Antworten versprechen sie sich von SUSY, der Supersymmetrie.
"Die Supersymmetrie ist deshalb so revolutionär, weil sie eine neue Art von Raumzeit beschreibt. Die Raumzeit von Albert Einstein besitzt vier Dimensionen: die drei Raumrichtungen sowie die Zeit. SUSY dagegen basiert auf einer deutlich komplexeren Raumzeit mit merkwürdigen mathematischen Eigenschaften. Bei SUSY wird der Raum zum Superraum, und jedes Teilchen, das sich durch diesen Superraum bewegt, erhält ganz neue Eigenschaften."
Einsteins Relativitätstheorie basiert auf einem zentralen Grundsatz: Die Gesetze der Physik sind immer gleich, egal wo und wann. Der Apfel fällt immer gleich schnell vom Stamm, ob in Berlin oder New York, ob letzte Woche oder in 100 Jahren. Damit sind Einsteins Gesetze mathematisch gesehen hochsymmetrisch. Lange dachten die Physiker, Einsteins Relativitätstheorie bilde die größtmögliche Symmetrie, die man sich überhaupt vorstellen kann. Aber:
"Es gibt noch eine größere Symmetrie, und das ist die Supersymmetrie."
Michael Krämer, Professor für theoretische Physik, RWTH Aachen.
"Es ist tatsächlich die einzige verbleibende Symmetrie, die man in der Natur noch finden könnte. Das weiß man aus theoretischen Gründen: Es gibt, wenn es noch eine weitere Symmetrie gibt, nur diese! Und man würde sich wundern, wenn die Natur diese Möglichkeit nicht genutzt hätte."
Die Symmetrie, die hinter SUSY steckt, ist hochabstrakt und wenig anschaulich. Sie hat mit einer seltsamen Quanteneigenschaft der Elementarteilchen zu tun – dem Spin. Bildlich gesprochen ist der Spin so etwas wie der Eigendrall eines Teilchens. Die Physiker unterscheiden dabei zwei Gattungen: Teilchen mit dem Spin 1/2, das sind Materieteilchen. Und Teilchen mit dem Spin 1, das sind Kräfteteilchen. Das Besondere an SUSY, der Supersymmetrie:
"Man stellt eine Beziehung zwischen diesen Materieteilchen und den Kräfteteilchen her, die man vorher nicht hatte. Das ist das Faszinierende an der Supersymmetrie."
Bei SUSY sind nicht nur Raum und Zeit symmetrisch, sondern auch Kräfte und Materie. Mehr Symmetrie geht nicht. Nur: Entspricht das Konzept auch der Wirklichkeit? Wenn SUSY stimmt, hätte das Folgen. Dann müsste es ein Schattenreich geben. Die Zahl der Elementarteilchen – sie wäre glatt verdoppelt.
"Die Teilchen sind jeweils die Partner der Teilchen im Standardmodell. Im Standardmodell hat man zum Beispiel Elektronen. Und dazu gibt es ein Partnerteilchen, das supersymmetrische Elektron. Dann gibt es Partner zu den Quarks – supersymmetrische Quarks. Und es gibt Partnerteilchen zu den Teilchen, die die Kräfte vermitteln. Und alle diese Teilchen unterscheiden sich von den Standardmodell-Teilchen zunächst mal nur im Spin."
Namen für diese Schattenteilchen haben die Physiker schon parat:
"Selektron und Squark."
Dem SUSY-Partner eines Materieteilchens wird ein S vorgesetzt.
"Photino, Gluino."
Dem Partner eines Kraftteilchen hängt man ein "ino" an.
"Wino und Zino."
Sollte es diese Schattenteilchen geben, würde man klarer sehen in der Teilchenphysik. Dann wüsste man, wie Kräfte und Teilchen mathematisch zusammenhängen und warum das Higgs-Teilchen so leicht ist. Womöglich hätte man das Geheimnis der dunklen Materie gelüftet und den Weg entdeckt zu einer Vereinheitlichung der Naturkräfte. Dazu aber müsste man die SUSY-Teilchen finden. Oder sie künstlich erzeugen – mit dem stärksten Beschleuniger aller Zeiten, dem LHC in Genf.
Ein unterirdischer Ring, 27 Kilometer groß. Beschleunigt Protonen auf enorme Energien und lässt sie mit voller Wucht zusammenprallen. Riesige Detektoren beobachten diese Kollisionen, der größte von ihnen ist ATLAS. CERN-Ingenieur Markus Joos steht direkt vor dem Giganten, hoch wie ein Bürohaus.
"Die Kollisionen von den Protonenstrahlen finden genau im Zentrum vom Detektor statt – etwa zwölf Meter von der Position hier, wo wir stehen. Wenn dort die Protonen zusammenstoßen, entstehen gewisse sekundäre Teilchen aus den Kollisionen. Man hat so etwa 1000 einzelne Bruchstücke, die man genau detektieren muss."
Diese Bruchstücke setzen die Physiker in aufwendigen Computeranalysen digital zusammen. Dadurch können sie rekonstruieren, welche Teilchen bei den Kollisionen entstanden sind und ob neue, bislang unentdeckte Elementarteilchen darunter sind. Eine enorme Geduldsarbeit.
"Man muss sich das so vorstellen, als wenn man auf einem Analogfilm 30 Landschaften übereinander belichtet. Und die Aufgabe von den Computern, die die Daten rekonstruieren, besteht im ersten Schritt darin, diese 30 Einzelereignisse voneinander zu trennen."
Auf diese Weise spürten die Physiker im letzten Sommer das Higgs auf – den letzten noch fehlenden Baustein des Standardmodells. Damit hatte der LHC eines seiner großen Ziele erreicht. Ein anderes, in Fachkreisen als noch spannender erachtet: SUSY-Teilchen zu erzeugen und nachzuweisen.
"Es gab zwischen 1970 und ’75 Versuche, den Begriff der Symmetrie zu erweitern. Das wäre ein großer Fortschritt im Verständnis der Natur."
Julius Wess, Erfinder der Supersymmetrie, 2002.
"Wir wussten ja nicht, wozu es führt."
Im März 2010 startete der LHC mit der Datennahme, die Messungen liefen bis Ende 2012. Das Higgs-Teilchen hat der Beschleuniger im letzten Sommer entdeckt – ein Triumph für das Standardmodell. Doch ist er auch auf Spuren von SUSY gestoßen?
"Bisher leider nicht."
Volker Büscher, Professor für Experimentalphysik, Universität Mainz.
"In keinen Analysen haben wir irgendwelche Anzeichen auf supersymmetrische Teilchen gefunden."
Weder ATLAS noch die anderen Detektoren am LHC fanden auch nur die geringsten Indizien. Die Fachleute sind enttäuscht.
"Ja, ein bisschen schon. Eigentlich hatte ich gehofft, dass wir da was sehen."
"Die Erwartungen, die Supersymmetrie mit dem LHC zu entdecken, waren enorm. Bislang aber haben wir nichts gesehen. Und da ist die Enttäuschung natürlich groß."
"Ich hätte persönlich, das muss ich zugeben, erwartet, dass man schon was sieht. Das sah einfach sehr plausibel, konsistent und theoretisch gut motiviert aus."
Symmetrien waren der Physik stets ein zuverlässiger Wegweiser. Einsteins Relativitätstheorie beruht darauf, ebenso das Standardmodell. Verständlich, dass die Physiker beim Versuch, ein neues, grundlegendes Weltbild zu schmieden, derselben Strategie folgen und sich wieder von Symmetriegedanken leiten lassen: Je symmetrischer die Formeln und Gesetze einer Theorie, umso schöner und eleganter erscheinen sie dem Experten. Die Supersymmetrie ist das Paradebeispiel für diese Philosophie – Symmetrie in Reinform. Doch nun die Ernüchterung: Keinerlei Anzeichen von SUSY, nicht die geringste Spur. Ist der Weg also falsch?
"Supersymmetrie kann immer noch stimmen, die Teilchen sind aber vielleicht einfach zu schwer, um sie mit dem LHC zu produzieren und nachzuweisen."
Wie schwer die Schattenteilchen sind und welche Energien man für ihre Erzeugung braucht, verrät die Supersymmetrie nicht – zumindest nicht in ihrer Reinform. Und weil SUSY in dieser Hinsicht ziemlich vage ist, haben die Fachleute im Laufe der Zeit Dutzende von Varianten entwickelt. Manche von ihnen sind mathematisch gesehen einfacher, andere komplexer.
"Diese einfachen Theorien haben wir teils schon ausgeschlossen."
Die einfachen Theorien waren davon ausgegangen, dass SUSY-Teilchen relativ leicht sind. Dann aber hätte sie der LHC bereits entdecken müssen. Also scheinen sie falsch zu sein. Jetzt ruht die Hoffnung auf den komplexeren Varianten.
"Dass man ein paar schöne, einfache Modelle ausgeschlossen hat, beweist ja nicht, dass es nicht noch andere Modelle geben könnte, die dann richtig sind. Es gibt viele mehr, und vielleicht auch noch ein paar, über die wir noch gar nicht nachgedacht haben und die sich erst entwickeln werden, wenn man mehr experimentelle Daten zur Verfügung hat."
Die Strategie der Physiker: mehr Energie für den LHC. Er soll seine Protonen noch stärker beschleunigen und mit größerer Wucht aufeinander feuern, um dadurch noch schwerere Teilchen zu erzeugen – womöglich SUSY-Teilchen. Dafür müssen die Physiker den stärksten Beschleuniger kräftig hochrüsten. Die Umbauarbeiten laufen auf Hochtouren.
"Wir stehen genau vor dem Interconnect. Das ist eins zu eins so, wie es im LHC-Tunnel vorhanden ist. Wir sehen hier, dass schon ein Teil des Magneten geöffnet ist. Die äußere Hülle ist schon abgebaut."
CERN, Halle 180. Hier trainiert das Team von Ingenieur Friedrich Lackner für den großen Umbau. Der Umbau betrifft die Magneten des LHC, die unten im Tunnel die Protonen auf ihrer Kreisbahn halten. Es sind meterdicke Röhren, manche von ihnen lang wie Lastwagen. Sie sind supraleitend und funktionieren nur, wenn sie mit Flüssighelium auf minus 270 Grad Celsius gekühlt werden.
"Wir haben hier in der Halle viele dieser Stücke aufgebaut, um Personal zu trainieren, um Prozeduren zu testen und um Materialien zu testen."
Lackner ist mächtig im Stress, gerade haben die ersten Arbeiten im Tunnel begonnen. Die wichtigste Aufgabe: Ein Teil der Zwischenstücke, die die knapp 10.000 Magneten verbinden, muss ausgetauscht oder neu verlötet werden. Denn genau so ein Zwischenkabel hatte im September 2008, kurz nachdem der LHC gestartet war, für eine böse Überraschung gesorgt. Lackner zeigt auf ein flaches Metallkabel.
"Das Bauteil, das damals versagt hat, sieht man hier unten. Das ist das supraleitende Kabel. In diesem Kabel kam es damals zu einem wie wir sagen Quench: Das heißt, der Supraleiter ist nicht mehr supraleitend, die Temperatur steigt. Der Strom kann nicht mehr über diesen Leiter transportiert werden. Und dementsprechend kommt es dann zu einer Explosion."
Bei der Explosion im September 2008 war das Helium explosionsartig verdampft und hatte die tonnenschweren Magneten aus ihrer Verankerung gerissen. Mehr als ein Jahr dauerte die Reparatur. Um keinen weiteren Unfall zu riskieren, ließen die Verantwortlichen den LHC nur bei der Hälfte der Energie laufen. Denn offenbar war nicht nur das durchgebrannte Kabel schlampig verlötet worden. Auch andere Zwischenstücke hatten sich bei genauer Inspektion als mangelhaft erwiesen. 1500 dieser Zwischenstücke müssen Lackner und sein Team neu löten. Außerdem müssen sie stabilere Plastikschienen für die Isolation einbauen – und zwar für alle 10.000 Zwischenstücke im Ring.
"Wir haben jetzt Zusatzpersonal, um das Team zu verstärken. Wir in unserem Team haben jetzt ungefähr 50 Leute mehr als normal. Wir sind jetzt in Summe ungefähr 70 Leute."
Der Druck ist enorm. Eine schlechte Lötstelle kann reichen, und die Magneten könnten erneut explodieren.
"Natürlich macht das schon ein bisschen nervös. Aber es ist so, dass wir Qualitätssicherungen durchführen. Jeder Arbeitsschritt wird von einem internen Team kontrolliert. Wenn dieses Team einen Schritt nicht als gut empfindet, wird das sofort neu gemacht."
Anderthalb Jahre soll der Umbau dauern – ein enger Zeitplan. Anfang 2015 soll der LHC wieder anlaufen und seine Protonen mit nahezu doppelter Energie aufeinander schießen.
"Wir haben 1974 geschlossen, dass eine Symmetrie dahinterstecken muss und haben versucht, diese Symmetrie zu finden. Ein Teil der Physiker hat sehr schnell auf diese Arbeiten angesprochen und beigetragen zur Weiterentwicklung. Sodass unter den mehr mathematisch orientierten Theoretikern sehr schnelle Akzeptanz war. Viel länger hat es gebraucht, bis unter den sogenannten Phänomenologen, die direkt den Vergleich der Theorie mit dem Experiment machen, bevor es dort wirklich ein Echo gefunden hat."
Die Fachleute hoffen und bangen. Denn der hochgerüstete LHC kann nur Teilchen finden, die höchstens so schwer sind wie das 3000-Fache eines Wasserstoffatoms. Sollten die SUSY-Teilchen schwerer sein, werden sie dem LHC durch die Lappen gehen. Die Suche nach SUSY – sie bleibt ein Unterfangen mit ungewissem Ausgang.
Aber es gibt einen Plan B: Den Indizienbeweis. Er ist kein ungewöhnliches Vorgehen, um zu neuer Erkenntnis zu gelangen. Beispiel Urknalltheorie: Direkt beweisen lässt sich der Big Bang nicht. Er ist ja schon lange vorbei. Stattdessen verlassen sich die Experten auf eine Indizienkette: auf das Vorhandensein von Phänomenen, die ohne Urknall kaum zu erklären sind – die kosmische Hintergrundstrahlung etwa sowie der Umstand, dass sich das Weltall stetig ausdehnt. Ähnlich könnte es auch bei SUSY sein. Das Kalkül: Sollten mehrere unterschiedliche Experimente Messdaten liefern, die nur SUSY schlüssig erklären kann, könnte etwas dran sein an der Supersymmetrie. Ideen dafür gibt es einige:
Experiment 1: E969, Teilchenforschungszentrum Fermilab, Chicago.
"Das Myon ist ein elektrisch geladenes Teilchen. Es ist sowas wie ein schweres Elektron."
Dominik Stöckinger, Professor für theoretische Physik, TU Dresden.
"Man kann es sehr leicht erzeugen und sehr, sehr präzise vermessen. Es verhält sich wie ein Stabmagnet. Wenn man es in ein magnetisches Feld einbringt, will es sich entlang des Magnetfelds ausrichten, genauso wie ein starker Magnet auch."
Das Kalkül: Ein Myon, das in einem Magnetfeld kreist, könnte sich per Quantenfluktuation für einen winzigen Augenblick in seinen Superpartner verwandeln, das Smyon. Dieses Smyon wäre zwar nicht direkt nachweisbar, würde allerdings das Magnetfeld um sich herum ein wenig beeinflussen. Und das, sagt Stöckinger, müsste sich dann messen lassen.
"Und zwar wird ein Ring gebaut mit 20 Metern Durchmesser. In diesem Ring laufen die Myonen im Kreis. Die werden auf einer Kreisbahn gehalten von einem magnetischen Feld. Während sie kreisförmig laufen, dreht sich die Einstellung von diesem magnetischen Moment. Das dreht sich mit einer bestimmten Drehfrequenz. Und diese Drehfrequenz wird gemessen."
2016 sollen die Messungen in Chicago beginnen. Was den Experten Mut macht: Ältere Experimente hatten erste Hinweise geliefert, dass sich das Myon ungewöhnlich verhält.
"Das Ergebnis ist: In der sechsten Nachkommastelle unterscheidet sich der Messwert von der Vorhersage des Standardmodells. Und dieser Unterschied ist genauso groß, dass er durch die Existenz von supersymmetrischen Myonen erklärt werden könnte."
Experiment 2: Neutrinoteleskop IceCube, Antarktis.
"IceCube ist ein Experiment am geografischen Südpol."
Dennis Soldin, Physiker, Universität Wuppertal.
"Bestehend aus optischen Modulen, die Licht messen. Davon sind über 5000 Stück im antarktischen Eis eingelassen, in Tiefen von 1,5 bis 2,5 Kilometern, sodass wir ein Detektor-Volumen von einem Kubikkilometer erreichen."
In erster Linie sollen die Lichtsensoren die Signale flüchtiger Teilchen aufschnappen, die in Unmengen durchs All rasen und mit Materie nur selten interagieren. Dennis Soldin aber ist hinter anderen Teilchen her – supersymmetrischen Teilchen. Diese könnten in der Erdatmosphäre erzeugt werden, wenn energiereiche kosmische Strahlung auf die Lufthülle prallt, und zwar mit ungleich größerer Wucht als im LHC. Manche dieser SUSY-Teilchen sollten in IceCube einschlagen und eine verräterische Leuchtspur hinterlassen.
"Die Signatur im Detektor wäre, dass supersymmetrische Teilchen immer paarweise erzeugt werden. Diese Paare fliegen in Richtung Detektor. Und im Detektor sieht man dann wirklich zwei parallele Spuren. Also zwei parallele Spuren im Detektor suchen wir."
Noch haben die Forscher nichts gefunden – was nicht weiter erstaunlich ist. Denn sie rechnen mit höchstens zehn Einschlägen pro Jahr.
Experiment 3: Teilchendetektor AMS, Internationale Raumstation ISS, Weltall.
"Hier darf nicht jeder rein. Das ist ein Sicherheitsbereich, in den nur registrierte Personen eintreten dürfen."
Das CERN, Gebäude 946. Thomas Kirn steht vor einer Glastür und schiebt seinen Ausweis in den Kartenleser. Die Tür öffnet sich und Kirn, Physiker an der RWTH Aachen, betritt den Kontrollraum: Monitore im Halbrund, an der Wand ein riesiger Flachbildschirm.
"Da ist die Weltkarte zu sehen und die Spur der ISS, welchen Orbit sie gerade bestreitet. Wir können jetzt aktuell sehen: Die ISS befindet sich über China, wird danach Richtung Äquator fliegen, um dann über Südamerika zu fliegen, bis sie dann in Afrika und Europa ankommen wird. Die ISS umkreist die Erde in 90 Minuten."
Von diesem Kontrollraum aus überwachen Kirn und seine Leute das aufwendigste Experiment an Bord der ISS – das Alpha Magnetic Spectrometer, kurz AMS. Groß und schwer wie ein Kleinlaster, Wert 1,5 Milliarden Dollar. AMS ist ein Teilchendetektor im All. Er fängt kosmische Strahlung auf – winzige Teilchen, die mit enormer Geschwindigkeit durchs All rasen. Speziell hat es AMS auf Antimaterie abgesehen – die gespiegelte Variante von gewöhnlicher Materie: Das Elektron etwa und sein Antiteilchen, das Positron, sind identisch bis auf ihre elektrische Ladung: Das Elektron ist negativ, das Positron positiv geladen.
Kirn zeigt auf einen der Bildschirme: ein Schema von AMS, jede Sekunde huscht ein Strich hindurch.
"Das ist das Event-Display des AMS-Experiments. Wir sehen wirklich ein Teilchen, welche Signatur es in jedem Subdetektor hinterlässt."
Seit 2011 ist AMS im All. Jetzt, im April, haben die Forscher ihre ersten Daten präsentiert – aufsehenerregende Daten.
Samuel Ting, Physik-Nobelpreisträger und Chef von AMS:
"In 18 Monaten haben wir 400.000 Positronen registriert – die größte Anzahl von Antimaterie, die je im All gemessen wurde. Und das ist überraschend. An sich hatte man erwartet, dass Positronen ausschließlich durch Zusammenstöße der kosmischen Strahlung mit interstellarem Gas produziert werden. Dann aber hätten es deutlich weniger Positronen sein müssen als wir gemessen haben."
Ein rätselhafter Überschuss an Positronen also. Für sein Zustandekommen gibt es zwei Erklärungsversuche:
"Die eine Erklärung: Die Positronen stammen von Pulsaren. Das sind Neutronensterne, die extrem schnell rotieren und sehr starke Magnetfelder besitzen, mit dem sie die Positronen beschleunigen und ins Weltall schleudern würden. Die andere Möglichkeit aber wären Dunkle-Materie-Teilchen, die laufend im Weltraum kollidieren, dabei zerplatzen und dann schnelle Positronen aussenden."
Teilchen, die hinter der ominösen dunklen Materie stecken und die die Galaxien kraft ihrer Gravitation zusammenhalten – danach suchen die Physiker schon lange. SUSY-Teilchen, insbesondere das Neutralino, gelten als heiße Kandidaten. Denn theoretisch würden sie die passenden Eigenschaften besitzen: relativ schwer, aber elektrisch ungeladen und damit fast unsichtbar für herkömmliche Materie. Zwar lassen die AMS-Ergebnisse noch nicht unterscheiden, ob Pulsare für den Antimaterie-Überschuss verantwortlich sind oder Dunkle-Materie-Teilchen. Doch in ein paar Jahren, mit mehr Messdaten, hofft Samuel Ting die Antwort geben zu können. Für die Verfechter von SUSY jedenfalls liefern die Daten aus dem All immerhin einen vagen Hoffnungsschimmer.
"Mich hat mal nach einem Vortrag, den ich gehalten habe, eine Dame gefragt: Wollen Sie denn damit sagen, wir bestehen aus Symmetrien? Ich habe gesagt: Ja, wir bestehen aus Symmetrien, so merkwürdig das klingen mag."
Klare Indizien fehlen, eindeutige Beweise sowieso. SUSY ist heute ebenso spekulativ wie vor Jahrzehnten – eine Theorie von bestechender mathematischer Eleganz, aber bislang ohne Bezug zur Realität. Wieder ruhen die Hoffnungen auf dem LHC. Ab 2015 wird er mit deutlich höherer Energie laufen und könnte das Tor aufstoßen zum Schattenreich der Supersymmetrie. Findet der LHC nichts, bleibt nur noch die Hoffnung auf einen Indizienbeweis, also auf eine mühselige Suche durch Experimente wie IceCube und AMS. Und auch, wenn selbst diese Experimente nicht den Hauch einer Spur finden – gestorben wäre SUSY damit noch nicht, meint Michael Krämer.
"SUSY kann man gar nicht totkriegen. Man kann immer argumentieren, dass die SUSY-Teilchen eben schwer sind – gerade so schwer, dass man sie nicht gesehen hat. Von daher ist die Theorie flexibel. Ich persönlich finde das ein bisschen frustrierend, weil man nicht klar sagen kann: Damit hat man’s ausgeschlossen. Aber das ist eben eine der Charakteristiken der Supersymmetrie. Es gibt keine richtige Nagelprobe."
Eines aber scheint wahrscheinlich: Findet der LHC nichts, dürften sich viele Experten abwenden von der Supersymmetrie. Dann werden sich nur noch jene Theoretiker mit ihr abgeben, die das Spekulieren lieben. Die sich weniger für Messdaten und harte Fakten interessieren, sondern für mathematische Schönheit und Eleganz. SUSY wäre dann nichts weiter als eine faszinierende Idee – ein Schattenreich der Physik, wunderschön zwar, aber leider ohne jeden Belang.
"Das Konzept ist tatsächlich theoretisch so anziehend, dass ich mir vorstellen kann, dass es irgendwie in der Natur verwirklicht ist. Aber eben möglicherweise nichts mit dem zu tun hat, was wir experimentell nachweisen können. Für die Beschleunigerphysik wäre es dann nicht mehr relevant. Deshalb würde ich wahrscheinlich dann auch auf ein anderes Pferd umsatteln."
Sie hörten Teil 2 der Reihe "Vorstoß in die Schattenwelt": Jagd auf SUSY.
Von Frank Grotelüschen.
Produktion: Friederike Wigger, Redaktion: Christiane Knoll.
Den dritten und letzten Teil, "Der dunkle Teil des Universums", hören Sie in "Wissenschaft im Brennpunkt" am 2. Juni um 16.30 Uhr.