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

(Schematisch wird das in Abbildung 65 dargestellt.)

Abb. 65: Die Stärken der Kräfte nehmen in einem höherdimensionalen Raum mit der Entfernung schneller ab als in einem niedrigerdimensionalen. Das ist analog zu einem höherdimensionalen Wassersprenkler, bei dem sich die Kraft des Wassers mit der Entfernung viel schneller abschwächt. Das Wasser breitet sich in drei Dimensionen weiter aus als in zwei – im Bild wird nur die Blume, die Wasser aus dem niedrigerdimensionalen Sprenkler erhält, angemessen versorgt.
    Wenn die Extra-Dimensionen eine endliche Größe hätten, würde das Wasser zwar die Grenzen der Extra-Dimensionen erreichen und sich nicht weiter ausbreiten. Aber die Wassermenge, die irgendetwas an irgendeinem Ort im extra-dimensionalen Raum erhalten würde, wäre viel geringer, als wenn das Wasser sich überhaupt nicht in diese Dimensionen hinein ausgebreitet hätte.
    Ebenso könnte die Gravitation sich in andere Dimensionen hinein ausbreiten. Obwohl die Kraft sich nicht ewig ausbreiten würde, wenn die Dimensionen eine endliche Größe haben, würden große Dimensionen die Gravitationskraft abschwächen, die wir in unserer dreidimensionalen Welt wahrnehmen würden. Wenn die Dimensionen hinreichend groß wären, würden wir eine sehr schwache Gravitationskraft erfahren, obwohl die zugrunde liegende Stärke der höherdimensionalen Gravitation ziemlich groß sein könnte. Man beachte jedoch, dass die Extra-Dimensionen im Vergleich zu dem, was uns theoretische Erwägungen erwarten lassen, von gewaltiger Größe sein müssen, damit diese Idee funktioniert, da die Gravitationskraft in einer dreidimensionalen Welt tatsächlich als so schwach erscheint.
    Dennoch wird der LHC diese Idee experimentellen Tests unterziehen. Obwohl die Idee jetzt als unwahrscheinlich gilt, ist die Wirklichkeit, und nicht die Leichtigkeit, mit der wir Modelle finden, der letzte Richter darüber, was korrekt ist. Wenn sie in der Welt realisiert wären, würden diese Modelle zu einer eindeutigen charakteristischen Signatur führen. Da die höherdimensionale Gravitation bei Energien, die ungefähr auf der schwachen Skala – die Energien, die der LHC erzeugen wird – liegen, stark ist, würden Teilchen miteinander zusammenstoßen und ein höherdimensionales Graviton erzeugen – das Teilchen, das die Kraft der höherdimensionalen Gravitation vermittelt. Aber dieses Graviton bewegt sich in die Extra-Dimensionen hinein. Die Gravitationskraft, mit der wir vertraut sind, ist äußerst schwach – viel zu schwach, um ein Graviton zu erzeugen, wenn es nur drei Dimensionen des Raumes gäbe. Aber in diesem neuen Szenario wäre die höherdimensionale Gravitation hinreichend stark, um ein Graviton bei den Energien zu erzeugen, die am LHC erreicht werden.
    Die Folge wäre die Erzeugung von Teilchen, die Kaluza-Klein-(KK)-Teilchen genannt werden und die die Manifestation der höherdimensionalen Gravitation im dreidimensionalen Raum sind. Sie sind nach Theodor Kaluza und Oskar Klein benannt, die erstmals über Extra-Dimensionen in unserem Universum nachdachten. KK-Teilchen haben Wechselwirkungen, die denen der Teilchen, die wir kennen, zwar ähnlich sind, besitzen aber schwerere Massen. Diese schwereren Massen sind das Ergebnis ihres zusätzlichen Impulses in der Richtung der Extra-Dimension. Wenn das KK-Teilchen mit dem Graviton verbunden ist – wie die Vorhersage des Szenarios großer Extra-Dimensionen lautet –, würde es, nachdem es einmal erzeugt wurde, aus dem Detektor verschwinden. Der Beleg für seinen flüchtigen Besuch wäre die Energie, die verlorenginge (siehe Abbildung 66, in der ein KK-Teilchen erzeugt wird und nichtbeobachtete Energie und Impuls mit sich fortnimmt).

Abb. 66: Im Szenario großer Extra-Dimensionen kann ein Kaluza-Klein-Partner des Gravitons mit einem in den Extra-Dimensionen liegenden Impuls erzeugt werden. Wenn das geschieht, wird es aus dem Detektor verschwinden und hinterlässt als Beleg fehlende Energie und Impuls.
    Natürlich ist fehlende Energie auch für supersymmetrische Modelle charakteristisch. Die Signale könnten einander sogar so ähnlich sein, dass, selbst wenn etwas entdeckt wird, die Leute aus dem extra-dimensionalen und dem supersymmetrischen Lager die Daten wahrscheinlich so interpretieren, dass sie ihre Erwartungen stützen – zumindest am Anfang. Aber mit einem eingehenden Verständnis der Konsequenzen und Vorhersagen beider Arten von Modellen werden wir in der Lage sein, zu bestimmen,