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

Beiträge aus den beiden Diagrammen oben gleich Null.
    Die Quantenmechanik teilt die Materie in zwei ganz verschiedene Kategorien auf – Bosonen und Fermionen. Fermionen sind Teilchen mit einem halbzahligen Spin , wobei der Spin eine Quantenzahl ist, die uns im Wesentlichen etwas darüber sagt, wie stark das Teilchen sich zu drehen scheint. Halbzahlig bedeutet Werte wie 1/2, 3/2, 5/2 etc. Die Quarks und Leptonen des Standardmodells sind Beispiele für Fermionen und haben den Spin 1/2. Bosonen sind solche Teilchen wie z.B. die kraftvermittelnden Eichbosonen oder etwa das noch zu entdeckende Higgs-Boson, die einen ganzzahligen Spin haben, der durch ganze Zahlen wie z.B. 0, 1, 2 etc. angegeben wird.
    Fermionen und Bosonen unterscheiden sich nicht nur durch ihren Spin. Sie verhalten sich sehr verschieden, wenn es zwei oder mehr von derselben Art gibt. Beispielsweise lassen sich identische Fermionen mit denselben Eigenschaften nie am selben Ort finden. Das sagt uns das Pauli’sche Ausschlussprinzip , das nach dem österreichischen Physiker Wolfgang Pauli benannt ist. In Bezug auf Fermionen erklärt dies die Struktur des Periodensystems, das verlangt, dass Elektronen, wenn sie nicht durch eine Quantenzahl voneinander verschieden sind, den Kern auf verschiedene Weise umkreisen müssen. Sie ist auch der Grund dafür, warum mein Stuhl nicht zum Erdmittelpunkt fällt, da die Fermionen in meinem Stuhl nicht am selben Ort wie das Material der Erde sein können.
    Bosonen verhalten sich dagegen genau umgekehrt. Tatsächlich ist es wahrscheinlicher, dass sie am selben Ort angetroffen werden. Bosonen können aufeinandergestapelt werden – ähnlich wie Krokodile, weshalb es solche Phänomene wie Bose-Kondensate geben kann, die erfordern, dass viele Teilchen sich im selben quantenmechanischen Zustand überlagern. Auch Laser beruhen auf der Affinität bosonischer Photonen zueinander. Der intensive Strahl wird von den vielen identischen Photonen erzeugt, die zusammen abgeschossen werden.
    In einem supersymmetrischen Modell können Teilchen, die wir für ganz verschieden halten – Bosonen und Fermionen – bemerkenswerterweise so ausgetauscht werden, dass das Ergebnis am Ende dasselbe ist wie die Theorie, mit der man angefangen hat. Jedes Teilchen besitzt ein Partnerteilchen der entgegengesetzten quantenmechanischen Art, aber mit genau derselben Masse und Ladung. Die Namensgebung der neuen Teilchen ist etwas spaßig – sie löst immer Gekicher aus, wenn ich in der Öffentlichkeit über dieses Thema spreche. Beispielsweise ist das fermionische Elektron mit einem bosonischen Selektron gepaart. Ein bosonisches Photon ist mit einem fermionischen Photino gepaart, und ein W ist mit einem Wino gepaart. Die neuen Teilchen haben zwar Wechselwirkungen, die mit denen der Teilchen des Standardmodells, d.h. mit ihren Partnern, verwandt sind. Aber sie haben entgegengesetzte quantenmechanische Eigenschaften.
    In einer supersymmetrischen Theorie sind die Eigenschaften jedes Bosons mit den Eigenschaften seines Fermion-Superpartners verwandt, und umgekehrt. Da jedes Teilchen einen Partner hat, und die Wechselwirkungen sorgfältig aufeinander abgestimmt sind, ermöglicht die Theorie diese skurrile Symmetrie, die Fermionen und Bosonen miteinander austauscht.
    Eine Möglichkeit, die anscheinend wundersame Aufhebung von virtuellen Beiträgen zur Higgs-Masse zu verstehen, liegt darin, dass die Supersymmetrie jedes Boson mit einem Fermion-Partner verbindet. Insbesondere paart die Supersymmetrie das Higgs-Boson mit einem Higgs-Fermion, dem Higgsino. Obwohl quantenmechanische Beiträge die Masse eines Bosons stark beeinflussen, wird die Masse eines Fermions, auch wenn quantenmechanische Korrekturen vorgenommen wurden, nie viel größer als die klassische Masse , diejenige Masse, mit der man angefangen hat, bevor man Quantenbeiträge berücksichtigt.
    Die Logik ist zwar subtil, aber große Korrekturen treten deshalb nicht auf, weil die Masse von Fermionen sowohl linkshändige als auch rechtshändige Teilchen umfasst. Masse-Terme erlauben diesen Teilchen, sich ineinander umzuwandeln. Wenn es keinen Term für die klassische Masse gäbe und sie sich nicht ineinander umwandeln könnten, bevor virtuelle quantenmechanische Effekte einbezogen werden würden, dann könnten sie es auch nicht, wenn man quantenmechanische Effekte berücksichtigen würde. Wenn ein Fermion zu Beginn schon keine Masse hat (keine klassische Masse), wird es immer noch eine