Beschleuniger

„Das ist doch Einstein!“: So bezeichnete die Berliner-Schnauze in den 1930-er Jahren alles, was ihr hanebüchen bis unverständlich vorkam. Die Relativitätstheorie war noch nicht in der Praxis angekommen, Satellitennavigationsgeräte oder GPS waren Zukunfts-Utopien. Auch viele Physiker standen Einsteins Konstrukt skeptisch gegenüber. Fünfzig Jahre später erbte die String-Theorie diesen Status von Einstein.

Wie damals versuchen Physiker anhand ausschließlich theoretischer Überlegungen die Welt zu erklären, ohne dass sie eine direkte experimentelle Überprüfungsmöglichkeit angeben könnten. Noch schlimmer. Konnte Einstein auf die Experimente rund um die die Periheldrehung des Merkurs verweisen, fiel den String-Theoretikern in der ersten Dekade kaum etwas Haptisch-Fassbares ein. Eine Theorie, die mehr dem Geist der Mathematik zu gehorchen schien, als dem der Experimentalphysiker. Strings sind eindimensionale Fäden oder besser Saiten, deren einziger Bezug zur Realität über lange Zeit das Papier war, auf dem man ihre Formeln druckte. Dem Physiker und Mathematiker Edward Witten verlieh man darum auch die Fields-Medaille, den inoffiziellen Mathematik-Nobelpreis. Alles graue Theorie?

Halten Strings die Welt im Innersten zusammen?
 
In München trafen sich am letzten Juli-Wochenende des Jahres 2012 die Koryphäen dieser höchst abstrakten Disziplin zu ihrer alljährlichen Konferenz. Der Tagungsort München ist nicht nur den guten Ruf der Stadt als urgemütlicher Konferenzort mit hoher Bierqualität geschuldet. Die beiden Universitäten LMU und TU-München sowie das Max-Planck-Institut für Physik unterhalten String-Forschergruppen mit internationaler Reputation.

String-Forscher versuchen zu erklären, was die Welt im Innersten zusammenhält. Ohne Goethe, Faust und Mephistopheles. Einfach nur mit Rechenschieber und Differentialgleichung, heute natürlich mit geballter Rechen-Power.

Was hat Einsteins Geige mit der Weltformel zu tun?

Das erinnert an Heisenbergs Weltformel und Einsteins vereinheitlichte Feldtheorie. Doch beide Physik-Titanen mussten diesen Teil des Ruhmes nachfolgenden Generationen überlassen, nicht zuletzt, weil sie vielleicht nicht genau genug auf Einsteins Geige achteten. So wie der Geigenbogen die Saite zu Schwingungen anregt, die dann höchst unterschiedliche Töne von sich gibt, werden die Strings, die diese Welt beschreiben, zu höchst unterschiedlichen Teilchen angeregt. Damit nicht genug, diese Teilchen sind als virtuelles Teilchenfeld auch Ursache der Kräfte.

Damit wäre die Brücke von der Energie zur Materie, die Einstein schlug, elegant auf die Kräfte erweitert. Leider leben die Strings in einer Welt aus mindestens neun Raumdimensionen und einer Zeitdimension, was wiederum Erinnerungen an die Metaphysik und Religion weckt, denn uns Menschen bleibt bekanntlich die Mehrzahl dieser Dimensionen verborgen. Sehen, hören und schmecken wir doch in einer schnöden 3D Welt und sind froh, wenn wir diese in drei und nicht bloß in zwei Dimensionen abfilmen können. Um die Welt der Strings zu erfassen, wäre also mindestens ein 9D-Hologramm nötig.

Der CERN-Beschleuniger bestätigt die String-Theorie

Noch warten die String-Physiker daher auf die Experimente kommender Physiker-Generationen. Denn nur die können klären, wo die Kontaktflächen zwischen mathematischer Fantasie und physikalischer Realität liegen könnten. Direkt überprüfen kann man nach wie vor nichts. Aber jedes Experiment am LHC-Beschleuniger in CERN, das dem so genannten Standardmodell der Physik nicht widerspricht, ist eine indirekte Bestätigung für die Stringtheorie, und von diesen Experimenten gibt es inzwischen viele. Das macht das Modell bereits zuverlässig.

Die Zeit der 1980-er Jahre, als Physiker die Teilchenphysik, ähnlich der klassischen Mechanik, schon als abgeschlossenes Sammelgebiet betrachten wollten, ist verflogen. „Wir wissen noch nicht genau, was die String-Theorie eigentlich genau ist“, meinte einer der Väter der String-Theorie, David Gross in München, „wir sind immer noch am Anfang der Theorie.“

Was Gottesteilchen und Strings gemeinsam haben
 
So viel Bescheidenheit kommt im rechten Augenblick. Gerade eben fanden Physiker am LHC-Beschleuniger das lange gesuchte Higgs-Boson, oder zumindest ein Teilchen, das ihm sehr, sehr ähnlich sieht. Das war ein dicker Pluspunkt für das Standardmodell und damit die String-Theorie. So könnte es nach dem Willen der String-Experten munter weitergehen. Wie ein gigantisches Radiergummi würde der LHC alle unzutreffenden Folgerungsketten der Theoretiker wegfegen. Denn in der Physik ist jede Aussage über Natur- und Erhaltungssätze eng verflochten.

Die Theoretiker sind darum nicht böse, produziert doch jeder von ihnen ausreichend viele Weltbilder, stets gestrickt nach dem Motto: Wenn a und b und c diesen Wert haben, dann sind als Folge davon d und e als Messwerte zu erwarten. Wenn nicht, wandert das Modell in den Reißwolf. Es sei denn, jemand findet schnell genug eine Erklärung, warum es doch stimmen könnte, und wagt eine neue Prognose.

CERN liefert einen Schattenwurf der Weltformel

So ergeben die Ergebnisse des CERN einen Schattenwurf der dahinter liegenden Weltformel, ohne sie selbst je direkt bestätigen zu können. Nach diesem Prinzip kristallisierte sich am CERN bereits Ende letzten Jahres die Masse für den erwähnten Higgs-Boson-Kandidaten heraus. Zunächst schlossen die Experimente eine Masse bzw. Energie von 500, dann 400, und 300 GeV aus. Der Hammer fiel schließlich bei 125 GeV. Nun gilt es noch den Spin und weitere Details des neuen Teilchens zu klären.

Wenn der LHC nach zwei Jahren Wartung im Jahr 2015 auf volle Leistung von 14 TeV Kollisionsenergie hochfährt, spekulieren alle Experimentatoren auf Hinweise über die Dunkle Materie und die Dunkle Energie. Wenn sie nichts finden, haben zumindest jene Theorien Reißwolfstatus, die sich mit 14 TeV begnügen. Dann muss man sich Argumente für einen neuen Beschleuniger einfallen lassen – oder zumindest ein Update des bisherigen Modells.

Handschlag der String-Theorie zur Dunklen Materie

Denn die Dunkle Materie und ihre Energiegeschwister sind nötig, um die Messergebnisse der Astrophysiker und der Teilchenphysiker zur Deckung zu bringen. Würde man sie finden, und sei es als noch so schwacher Hinweis mit wackeliger Statistik, wäre ein entscheidender Handschlag gelungen: zwischen den mathematischen Konstrukten der String-Theorie und dem Standardmodell auf der einen Seite und den Möglichkeiten der Experimentalphysik auf der anderen. Ein Handschlag, der dann mit Sicherheit neue Geräte zur Folge hätte. Wie so oft muss der alte Beschleuniger das Geld für den neuen verdienen.
 
Die zahlreichen Fortschritte der Stringtheorie erfordern leider zum tieferen Verständnis mindestens die Promotion in eben diesem Fach, was den Kreis jener einschränkt, die ihn voll zu würdigen wissen. Ein Highlight in München war aber zweifellos der Bericht über höhere Spin-Theorien. Dieses neue Forschungsfeld beleuchtet die Anregung der Strings durch gequantelte Energie in Einheiten des Planckschen Wirkungsquantums. Doch anders als bei Elektronen zählt man hier in Schrittweiten von 3/2; 5/2; 7/2 und so weiter. Nach oben sind die Zustände nicht begrenzt, denn es gibt wohl unendlich viele Anregungszustände.

Vereinigen die Strings alle Unbekannten?
 
Professor Davis Gross, Nobelpreisträger und String-Veteran, formulierte zum Abschluss der Konferenz drei ganz persönliche Wünsche. Er möchte, ganz ähnlich wie Peter Higgs, noch zu Lebzeiten den Erfolg seiner Theorie miterleben. Dann würden sich alle Kräfte, die die Welt zusammenhalten, von der Gravitation bis hin zur elektromagnetischen Kraft, in die String Theorie einbetten. Wunsch zwei betrifft das Universum. Wann endet es, und wann beginnt es? Wunsch drei befasst sich mit der String Theorie selbst. Was macht sie aus – was besagt sie genau?
 
Die Zukunft wird zeigen, von wem der 1941 geborene David Gross damit mehr fordert: der Physik, den Künsten der modernen Medizin oder der Konsistenz seines eigenen Körper.