Wechselwirkungsprinzip bei Teilchen und Strings

Stringtheorie

Leben wir in einem Universum aus Teilchen oder aus Strings? Und wie viele Dimensionen hat dieses Universum überhaupt? Die Stringtheorie bietet eine alternative Beschreibung unserer Welt – wie sich mit ihrer Hilfe die Starke Kraft zwischen den Quarks beschreiben lässt, untersuchen die Physiker, zum Beispiel in der Theoriegruppe beim Forschungszentrum DESY.

Quarks aus Strings?

Die starke Kraft – die insbesondere für das Verständnis der Protonenkollisionen am LHC grundlegend wichtig ist – wirkt etwa so, als seien die einzelnen Quarks durch elastische Fäden miteinander verbunden. Tatsächlich haben die Theoretiker schon früh versucht, die Eigenschaften von Hadronen, also Teilchen aus Quarks und Gluonen, durch das Schwingungsverhalten eindimensionaler Fäden oder Saiten (englisch: strings) zu erklären. Aus solchen Versuchen gingen um 1970 die ersten Stringtheorien hervor; deren Anwendung auf die Starke Kraft blieb jedoch zunächst wenig erfolgreich.

Nahezu dreißig Jahre intensiver Forschung waren nötig, bevor den Stringtheoretikern bei der Beschreibung der Hadronenphysik ein lang ersehnter Durchbruch gelang. Der Stringtheorie zufolge haben die Grundbausteine der Natur nicht die Form punktförmiger Teilchen, sie verhalten sich vielmehr wie eindimensionale Strings. Damit das Ganze mathematisch konsistent ist, muss sich das Universum der Stringtheorie in zehn Raumzeit-Dimensionen ausdehnen. Einige dieser Dimensionen lassen sich jedoch derart „aufrollen“, dass wir sie nicht direkt als tatsächlich existierende Raumrichtungen wahrnehmen. Die Möglichkeit, ein Universum aus solchen elementaren Strings aufzubauen, hat viel Aufmerksamkeit erregt, vor allem deshalb, weil die Stringtheorie seit langem bekannte theoretische Unvereinbarkeiten zwischen der Quantenphysik und Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie der Gravitation auflöst.

Eine Frage der Sichtweise

Diagramm dreidimensionaler Strings, projiziert auf eine zweidimensionale Fläche wirken sie wie Teilchen.
Eine Frage der Projektion

Eine Welt aus Strings wäre von unserem vierdimensionalen Universum kaum zu unterscheiden – zumindest, wenn man nicht allzu genau hinsieht. Insbesondere lassen sich aus Strings auch Objekte bilden, die schwarzen Löchern ähnlich sind. Da sich schwarze Löcher ausgezeichnet dazu eignen, die Quantenaspekte der Gravitation zu studieren, wurden sie in den 1990er Jahren intensiv untersucht. Im Rahmen dieser Studien machten die Stringtheoretiker eine bemerkenswerte Entdeckung: Sie fanden heraus, dass die Quantenchromodynamik, also die Theorie der Quarks und Gluonen in einem dreidimensionalen Raum, keineswegs die einzig mögliche Beschreibung hadronischer Physik liefert. Tatsächlich entdeckten die Forscher ganz neue Modelle, mit denen sich die Hadronenphysik als Stringtheorie in einer fünfdimensionalen Raumzeit beschreiben lässt. (Fünf Raumrichtungen des neundimensionalen String-Universums müssen also aufgerollt sein.) Dies mag auf den ersten Blick seltsam erscheinen. Denn daraus folgt, dass wir nicht grundsätzlich unterscheiden können, ob unsere reale Welt vier- oder fünfdimensional ist – alles hängt davon ab, ob wir sie als eine Welt aus Teilchen oder Strings betrachten.

So überraschend die Existenz von zwei gänzlich verschiedenen Beschreibungen ein und derselben Realität zunächst erscheinen mag, ist das Phänomen doch nicht ganz ungewöhnlich. Ähnliches passiert zum Beispiel bei einer Fotografie, die entweder über die Chemie eines herkömmlichen Films oder als eine Folge von Bits – also Nullen und Einsen – in modernen Digitalkameras gespeichert sein kann. Obwohl das zugrunde liegende Bild dasselbe ist, könnte dessen Darstellung in der Kamera kaum unterschiedlicher sein. Selbstverständlich lassen sich die beiden Darstellungen mit Hilfe der entsprechenden Technologie ineinander umwandeln.

Stringtheorie auf dem Vormarsch

Links: Zwei Teilchen wechselwirken, in dem sie ein weiteres Teilchen austauschen. Rechts: Zwei Strings verschmelzen zu einem String und trennen sich dann wieder.
Stringtheorie Particles and strings

Jede der beiden bekannten Beschreibungen der Hadronenphysik – die Quantenchromodynamik beziehungsweise einige ihrer supersymmetrischen Verwandten sowie die Stringtheorie – hat ihre eigenen Vorzüge. Die Quantenchromodynamik bietet hochentwickelte Werkzeuge für die Untersuchung von hadronischen Systemen, die gut handhabbar sind, solange der Abstand zwischen den Quarks klein bleibt. Das intuitive Bild der starken Wechselwirkung als Federkraft lässt erwarten, dass man mit den Methoden der Stringtheorie Vorhersagen gerade im Bereich der sonst so schwer zugänglichen großen Quarkabstände machen kann, und zwar wiederum nur mit Papier und Bleistift. Der Zwischenbereich mittlerer Quarkabstände bleibt derzeit vorwiegend den Supercomputern der Gittereichtheoretiker vorbehalten. Allerdings gibt es inzwischen einige spektakuläre Beispiele, in denen Berechnungen der Stringtheorie für beliebige Abstände zwischen den Quarks ausgeführt werden konnten, ganz ohne die Unterstützung von Hochleistungsrechnern.

Neuere Experimente an Schwerionenbeschleunigern weisen darauf hin, dass die Stringtheorie große Abstände zwischen den Quarks in der Tat sehr effizient beschreibt. Wenn zwei schwere Ionen zusammenstoßen, bilden die zahlreichen Quarks und Gluonen in ihren Kernen einen Tropfen „Quark-Gluon-Suppe“, der anschließend in Form einer Vielzahl von Hadronen verdampft. Bevor es jedoch zum Verdampfen kommt, verhält sich der Tropfen annähernd wie eine Flüssigkeit. Deren Viskosität, das heißt die Zähigkeit, lässt sich experimentell messen. Inzwischen ist klar, dass die in solchen Tropfen vorherrschenden Quarkabstände zu groß sind, um die Viskosität mit den üblichen Näherungsmethoden der Quantenchromodynamik noch verlässlich berechnen zu können. Auf der anderen Seite stimmen die Vorhersagen der stringtheoretischen Modelle relativ gut mit den experimentellen Messwerten überein.

Derzeit ist es immer noch sehr schwierig, die Eigenschaften von Hadronen mit Hilfe der Stringtheorie zu berechnen. Während die Rechentechniken in der Quantenchromodynamik über Jahrzehnte hinweg intensiv weiterentwickelt wurden, erfordert die entsprechende Entwicklung der Stringtheorie noch viel Arbeit. Die Stringtheoriegruppe von DESY widmet sich dieser spannenden Aufgabe in Zusammenarbeit mit zahlreichen Partnern auf der ganzen Welt.