Prinzip der Supersymmetrie mit Partnerteilchen

Supersymmetrie

Bei der Supersymmetrie geht es um nicht weniger, als die strikte Trennung zwischen Materie und Kräften zu überwinden. Der Preis: Mit der Supersymmetrie würde sich die Zahl der Teilchen verdoppeln. Gesehen hat man von der zweiten Hälfte bisher aber noch nichts.

Viele Physiker hegen den Wunsch nach einem möglichst einfachen Universum. Nicht etwa, weil die Forscher faul sind. Vielmehr hoffen sie, die Gesetze des Universums seien besonders elegant. Und eine solche Eleganz, so wünschen sie weiter, sollte in einer möglichst geringen Zahl unterschiedlicher Bausteine zu Tage treten.

In einer Art Baumdiagramm sind alle Naturkräfte im Urknall vereint und spalten sich nach und nach in die vier bekannten Kräfte auf. Rechts eine Skala, bei welchen Zeitabständen nach dem Urknall und welchen Energien die Aufspaltungen stattfinden.
Vereinigung der Naturkräfte

Zwar hat das Standardmodell bereits einige Ordnung in das ursprüngliche Teilchen-Wirrwarr gebracht, aber die Suche nach dem Ur-Prinzip, von dem sich die gesamte Vielfalt des Universums ableitet, ist noch lange nicht vorbei. Diesem Ziel waren Anfang der 1970er Jahre einige theoretische Physiker einen gewaltigen Schritt näher gekommen. Damals entdeckten sie eine mögliche Regelmäßigkeit – eine Symmetrie – im Universum, mit der sich vielleicht die strikte Trennung zwischen Materie und Kräften auflösen ließe. Diese „Supersymmetrie“ könnte vereinen, was das Standardmodell noch trennt.

Dem Standardmodell zufolge besteht die Welt aus Materie- und Kraftteilchen: Materieteilchen wie Elektronen und Quarks bilden zusammengesetzte Objekte wie Atome und Menschen. Und zu jeder der bekannten Kräfte gibt es Kraftteilchen, durch die Teilchen in Wechselwirkung treten. In ihrem Verhalten sind diese beiden Teilchentypen sehr verschieden. Der Supersymmetrie zufolge gibt es nun jedoch zu allen Materieteilchen supersymmetrische Partner, die sich wie Kraftteilchen verhalten und umgekehrt. Die starre Trennung von Materie und Kräften wäre damit aufgehoben und die Suche nach dem Ur-Prinzip einen Schritt weiter.

Symmetrien in den Naturwissenschaften

In den Naturwissenschaften, besonders in der Physik, spielen Symmetrien eine nicht zu unterschätzende Rolle. Es klingt selbstverständlich, aber für die Entwicklung jeglicher Theorien gibt es eine Annahme von entscheidender Bedeutung: Die Naturgesetze sind zu jeder Zeit, an jedem Ort und in jeder Richtung gleich.

Das heißt nun nicht, dass auch das Universum an allen Orten, zu allen Zeiten und in allen Richtungen gleich ist. Das Universum ist natürlich und offensichtlich nicht überall gleich, aber es gelten dennoch überall dieselben Gesetze.

Physiker sprechen in diesem Zusammenhang von Symmetrien: Wenn man beispielsweise einen Ort im Universum oder den Nullpunkt der Zeit verschieben kann und es gelten immer noch überall dieselben Gesetze.

Die Symmetrien von Raum und Zeit gehören daher zu den grundlegendsten in der Physik. Bis in die 1970er Jahre war man davon ausgegangen, alle Symmetrien entdeckt zu haben. Ein paar findige Physiker schauten aber noch einmal genauer nach und entdeckten, dass eine mögliche Symmetrie bisher unbedacht geblieben war. Dieses Versehen ließ sich durchaus entschuldigen: Sie hatte nämlich etwas mit einer Eigenschaft von Teilchen zu tun, die bekannt dafür ist, merkwürdig zu sein: dem Spin.

Der Spin

Aus verschiedenen Experimenten konnten die Quantenphysiker schließen, dass Elementarteilchen eine Eigenschaft haben, die Körper von alltäglicher Größenordnung nicht haben. Sie nannten diese Spin. Die mathematische Beschreibung dieser Eigenschaft gelingt einigermaßen, wenn man sich vorstellt, die Teilchen drehten sich um sich selbst. Wie viele andere quantentheoretische Eigenschaften ist der Spin gequantelt, dass heißt, er kann nur bestimmte Werte annehmen. In der Vorstellung bedeutet dies, dass die Drehachse, um die sich das Teilchen dreht, nur in bestimmte Richtungen zeigen kann.

Elektronen stehen beispielsweise nur zwei Spin-Einstellungen zur Verfügung. Entweder nach oben oder nach unten. Ein Dazwischen gibt es nicht. Auch Quarks besitzen zwei solcher Einstellungen. Es gibt aber auch Teilchen, die aus drei und mehr möglichen Einstellungen wählen können. Und dann auch noch solche, die nur eine Einstellung besitzen.

Physiker weisen den Teilchen unterschiedliche Spinwerte zu, die eine Art Maß für die Drehgeschwindigkeit darstellen. Materieteilchen wie Elektronen und Quarks haben den Spinwert 1/2, die Wechselwirkungsteilchen, über deren Austausch die Kräfte funktionieren, haben den Spinwert 1.

Supersymmetrische Partnerteilchen

Prinzip der Supersymmetrie. Dargestellt sind alle Elementarteilchen des Standardmodells und ihr supersymmetrischen Partnerteilchen als kleine farbige Kugeln.
Supersymmetrische Partnerteilchen

Die Supersymmetrie ist eine Symmetrie, die aufs Engste mit dem Spin der Teilchen verknüpft ist. Sie ist damit leider – wie das meiste in der Quantenwelt – weit schwerer vorstellbar als eine Verschiebung in Raum und Zeit. Was man sich aber leicht vorstellen kann, sind die Konsequenzen, die sich aus der Supersymmetrie ergeben und prinzipiell in Teilchenbeschleunigern nachgewiesen werden könnten: Wenn unser Universum supersymmetrisch ist, dann gibt es zu jedem der bekannten Teilchen einen supersymmetrischen Partner. So gäbe es beispielsweise zu den Spin-1/2-Teilchen supersymmetrische Spin-0-Teilchen und zu den Spin-1-Teilchen umgekehrt supersymmetrische Spin-1/2-Partner. Damit wäre die Welt der Materieteilchen mit der der Kraftteilchen verbunden. Der Preis für diese Eleganz: Die Anzahl der verschiedenen Teilchen verdoppelt sich.

Aber so sehr sich die Forscher bisher auch bemüht haben und so groß ihre Teilchenbeschleuniger auch geworden sind: Wenn es die Supersymmetrie gibt, dann ist den Physikern zum heutigen Tage eine ganze Hälfte des Universums verborgen geblieben. Sie versuchen das mit der Masse der supersymmetrischen Teilchen erklären: Sie seien schlicht zu schwer, um in den heutigen Teilchenbeschleunigern erzeugt und nachgewiesen werden zu können.

Nach der Namensgebung der Theoretiker bekommen die supersymmetrischen Partner zu den Materieteilchen ein „s“ vorangestellt – wie in Selektron oder Squark. Die supersymmetrischen Versionen der Wechselwirkungsteilchen erhalten ein „ino“ ans Ende: Photino, Gluino und so weiter.

Die Supersymmetrie bringt große Vorteile mit sich. So lassen sich mit ihrer Hilfe die unterschiedlichen Kräfte viel besser zu einer einzigen Kraft vereinen, die das Weltall kurz nach dem Urknall beherrschte. Mit der Zeit hat sich das Weltall abgekühlt und dabei sollen aus der einen Urkraft die verschiedenen Erscheinungsformen der uns heute bekannten Kräfte „ausgeflockt“ sein.

Die Supersymmetrie existiert bisher nur auf dem Papier. Genauso wenig muss es eine Ur-Kraft oder sogar das eine Ur-Prinzip geben. Und der Grund, warum bisher keine supersymmetrischen Teilchen gefunden wurden, muss nicht unbedingt deren zu große Masse sein. Eine einfachere Antwort könnte auch „Es gibt keine Supersymmetrie“ lauten.