Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

dass die Wechselwirkungen zwischen den unerwünschten, unphysikalischen Teilchen die Symmetrien nicht beachten, während diejenigen Teilchen, die so wechselwirken, dass die notwendigen Symmetrien erhalten werden, so oszillieren, wie sie sollten. Dadurch garantieren die Symmetrien, dass theoretische Vorhersagen sich nur auf die physikalischen Teilchen beziehen und daher einen Sinn ergeben und mit den Experimenten übereinstimmen.
    Symmetrien gestatten daher eine elegante Formulierung einer Theorie der Kräfte. Anstatt unphysikalische Verhaltensweisen in jeder Berechnung einzeln zu eliminieren, werden alle unphysikalischen Teilchen durch die Symmetrien mit einem Schlag entfernt. Jede Theorie mit symmetrischen Wechselwirkungen schließt nur die physikalischen Oszillationsmoden ein, deren Verhalten wir beschreiben wollen.
    Das funktioniert in jeder Theorie von Kräften, die Austauschteilchen mit verschwindender Masse umfassen, wie z.B. der Elektromagnetismus oder die starke Kernkraft. In symmetrischen Theorien ergeben die Vorhersagen für ihre Wechselwirkungen bei hohen Energien alle einen Sinn, und nur die physikalischen Moden – Moden, die in der Natur existieren – werden berücksichtigt. Für masselose Eichbosonen lässt sich das Problem von Wechselwirkungen bei hohen Energien relativ einfach lösen, da geeignete Symmetriebeschränkungen jegliches unphysikalische, unerwünschte Verhalten aus der Theorie entfernen.
    Dadurch lösen Symmetrien zwei Probleme: Unphysikalische Moden werden eliminiert, und die schlechten Vorhersagen für hohe Energien, die mit ihnen einhergehen, werden ebenfalls entfernt. Ein Eichboson mit einer von null verschiedenen Masse besitzt eine zusätzliche physikalische, d.h. in der Natur vorkommende Oszillationsmode. Die Eichbosonen, die die schwache Kernkraft vermitteln, gehören zu dieser Kategorie. Die Symmetrien würden zu viele ihrer Oszillationsmoden eliminieren. Ohne einen neuen Bestandteil würde die Masse der schwachen Bosonen die Symmetrien des Standardmodells verletzen. Bei Eichbosonen mit einer nicht verschwindenden Masse haben wir keine andere Wahl, als eine unerwünschte Mode beizubehalten – und das bedeutet, dass die Lösung für das ungezogene Verhalten bei hohen Energien nicht so einfach ist. Trotzdem benötigt die Theorie noch etwas anderes, um bei hohen Energien vernünftige Wechselwirkungen hervorzubringen.
    Darüber hinaus kann keines der Elementarteilchen des Standardmodells ohne ein Higgs-Teilchen eine von null verschiedene Masse haben, ohne die Symmetrien der einfachsten Krafttheorie zu verletzen. Durch das Vorhandensein der mit den Kräften verbundenen Symmetrien könnten Quarks und Leptonen im Standardmodell ohne Higgs-Teilchen auch keine von null verschiedene Masse haben. Der Grund dafür scheint zwar von der Logik für Eichbosonen unabhängig zu sein, kann aber ebenfalls auf Symmetrien zurückgeführt werden.
    In Kapitel 14 haben wir eine Tabelle vorgestellt, die sowohl links- als auch rechtshändige Fermionen enthielt – Teilchen, die in Gegenwart von Massen, die von null verschieden sind, miteinander gepaart werden. Wenn Quark- oder Leptonenmassen von null verschieden sind, bringen sie Wechselwirkungen ins Spiel, die linkshändige Fermionen in rechtshändige Fermionen umwandeln. Damit jedoch die linkshändigen und die rechtshändigen Fermionen ineinander umgewandelt werden können, müssten sie dieselben Kräfte erfahren. Doch Experimente zeigen, dass die schwache Kraft auf linkshändige Fermionen anders wirkt als auf die rechtshändigen Fermionen, in die sich massive Quarks oder Leptonen verwandeln könnten. Diese Verletzung der Paritätssymmetrie, die, wenn sie erhalten bliebe, links und rechts im Hinblick auf die Gesetze der Physik als äquivalent behandeln würde, ist für jeden verblüffend, der zum ersten Mal davon hört. Schließlich unterscheiden die anderen bekannten Naturgesetze nicht zwischen rechts und links. Aber diese bemerkenswerte Eigenschaft – dass die schwache Kraft rechts und links nicht gleich behandelt – wurde experimentell nachgewiesen und ist ein wesentliches Kennzeichen des Standardmodells.
    Die verschiedenen Wechselwirkungen links- und rechtshändiger Quarks und Leptonen machen klar, dass ohne einen neuen Bestandteil von null verschiedene Massen für Quarks und Leptonen mit den bekannten physikalischen Gesetzen unvereinbar wären. Solche von null verschiedenen Massen würden Teilchen, die eine schwache Ladung tragen, mit