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14.06.2013:
Teilchenphysik ohne große Wüste

Neuer Ansatz zur Erweiterung des Standardmodells

Abb. 1: Standardmodell der Teilchenphysik. Die ‚Bausteine‘ der Materie bilden je 6 Quarks (aus denen Protonen und Neutronen bestehen) und Leptonen (u. a. Elektronen und Neutrinos). Dazu kommen 4 Eichbosonen, die Wechselwirkungen der Teilchen vermitteln, und das Higgs-Boson (Grafik: Fermilab Visual Media Services).

Abb. 2: Energieskala des Mikrokosmos von Atomen (eV) bis zur Planck-Energie (1028 eV). Über den Higgs-Mechanismus (spontane Symmetriebrechung) erhalten die Teilchen ihre Masse. Auf dieser Skala findet sich die Vereinheitlichung von elektromagnetischer Kraft und schwacher Kernkraft. Eine Vereinheitlichung mit der starken Kernkraft (Grand Unified Theory, GUT) wird bei 1025 eV erwartet. Dazwischen liegt über viele Größenordnung die ‚Wüste‘ der Teilchenphysik.

Wissenschaftler des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik haben eine neue Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik vorgeschlagen. Der Ansatz erlaubt die Erzeugung von Neutrinomassen und liefert einen Kandidaten für die Dunkle Materie des Universums. Das Modell ist zudem in einem Energiebereich testbar, der heutigen Beschleunigern zugänglich ist. Damit wird eine ‚große Wüste‘ auf dem Weg zu neuer Physik bei unzugänglich hohen Energien vermieden. [Physical Review Letters, 4. Juni 2013]

Zu den Grundlagen der modernen Physik gehört das so genannte Standardmodell der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen (Abb. 1). Hinsichtlich seiner Voraussagen hat es sich als sehr erfolgreich erwiesen, aber es ist unvollständig, da es die Gravitation nicht enthält. Auch kann es die – winzigen – Massen der Neutrinos nicht erklären, liefert keinen Kandidaten für die Dunkle Materie und lässt offen, wie sich die verschiedenen Wechselwirkungen durch eine vereinheitlichte Theorie beschreiben lassen. Aus der Tatsache unserer Existenz folgt zudem, dass es im frühen Universum eine kleine Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie gegeben haben muss, welche mit dem Standardmodell nicht erklärt werden kann. Deshalb gibt es bereits zahlreiche Vorschläge für Erweiterungen des Standardmodells oder auch ganz neue Theorien.

Um immer kleinere Strukturen aufzulösen, ist die Forschung in immer höhere Energiebereiche vorgedrungen. Als praktisches Maß wird die Einheit Elektronenvolt (eV) verwendet – chemische Vorgänge z. B. bewegen sich auf einer Energieskala von einigen eV. Die Masse des kürzlich entdeckten Higgs-Teilchens entspricht 126 Milliarden eV und der weltweit größte Teilchenbeschleuniger LHC des CERN liefert Energien bis 14 Billionen eV. Als höchste sinnvolle Energieskala gilt die ‚Planck-Energie‘ bei 1028 eV, also noch einmal 15 Größenordnungen (= Millionen Milliarden) über der LHC-Energie. In einigen Erweiterungen des Standardmodells ist das Proton nicht mehr stabil; dessen Zerfall wurde aber bisher nicht beobachtet. In damit verträglichen Theorien muss der Zerfall unterdrückt werden. Die Energieskala, auf der man ‚neue Physik‘ erwartet, liegt dann bei 1024 eV – also experimentell in praktisch unüberbrückbarer Ferne. Die Teilchenphysiker sprechen hier von einer ‚großen Wüste‘ (Abb. 2).

Michael Dürr und Pavel Fileviez Pérez aus der Abteilung von Manfred Lindner am Heidelberger MPI für Kernphysik haben nun gemeinsam mit Mark B. Wise vom Caltech eine Erweiterung des Standardmodells vorgeschlagen, welche diese Schwierigkeit vermeidet. Es sagt eine Verletzung der Erhaltung der Anzahl von Baryonen (aus Quarks zusammengesetzteTeilchen wie Protonen und Neutronen) und Leptonen (Elektronen und Neutrinos) voraus, ohne dass sich eine mit der Beobachtung unverträglich kurze Lebensdauer des Protons ergäbe. Mit Erhaltungssätzen sind mathematisch Symmetrien verknüpft. So folgt z. B. aus der Unabhängigkeit der Naturgesetze von Ort und Zeit die Erhaltung von Impuls und Energie. Zugleich sind Strukturbildungen in der Natur mit der Brechung von Symmetrien verknüpft. Ein Beispiel ist die Kristallisation von Wasser zu Eis. In der Flüssigkeit ist keine Richtung im Raum ausgezeichnet, während Eiskristalle eine sechszählige Struktur haben und diese Vorzugsrichtungen die vorher höhere Symmetrie brechen.

Die mathematische Formulierung für die Teilchenphysik (Eichtheorie) ist sehr abstrakt, liefert aber wichtige Vorhersagen. Als Konsequenz des neuen Modells ergeben sich neue Teilchen, die sowohl Baryonen- als auch Leptonenzahl tragen und deshalb ‚Leptoquarks‘ genannt werden. Es erlaubt die Erzeugung von Neutrinomassen und kann möglicherweise die Asymmetrie von Materie und Antimaterie im Universum erklären. „Unser Modell ist zudem testbar, beispielsweise am LHC, da die Symmetriebrechung schon auf der TeV-Skala stattfinden kann und sich eine ‚große Wüste‘ erübrigt“, erläutert Michael Dürr. Das leichteste neue Teilchen ist stabil und damit ein Kandidat für Dunkle Materie. Über die Neutrinomasse ergeben sich indirekt Vorhersagen für den neutrinolosen Doppelbetazerfall. Im Hinblick darauf sehen die theoretischen Physiker sehr gespannt den zukünftigen Ergebnissen der Experimente XENON und GERDA entgegen, an denen ihre Heidelberger Kollegen beteiligt sind.

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Originalveröffentlichung:
Gauge theory for baryon and lepton numbers with leptoquarks
Michael Dürr, Pavel Fileviez Pérez and Mark B. Wise; Physical Review Letters 110, 231801 (2013);  doi: 10.1103/PhysRevLett.110.231801
 Artikel auf arXiv

Abteilung Lindner am MPIK

 Caltech Particle Theory Group

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Kontakt:

Michael Dürr
Tel.: 06221/516-816
E-Mail:  michael.duerr (AT) mpi-hd.mpg.de

Dr. Pavel Fileviez Pérez
Tel.: 06221/516-822
E-Mail:  fileviez (AT) mpi-hd.mpg.de

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