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

des Universums. Doch wie bei den meisten Fortschritten sind weitere Fragen aufgetaucht, während unser Wissen gewachsen ist. Manche dieser Fragen haben entscheidende Lücken in unseren theoretischen Rahmenvorstellungen bloßgelegt. Trotzdem verstehen wir in vielen Fällen die Natur der fehlenden Glieder gut genug, um zu wissen, wonach und wie wir suchen müssen.
    Sehen wir uns also genauer an, was sich am Horizont abzeichnet – welche Experimente gemacht werden und was sie unseren Vorhersagen gemäß finden könnten. Dieses Kapitel dreht sich um einige der Hauptfragen und physikalischen Forschungen, die der übrige Teil des Buches behandeln wird.
    Jenseits des Standardmodells am LHC
    Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik sagt uns, wie wir Vorhersagen über die leichten Teilchen machen können, aus denen wir bestehen. Außerdem beschreibt es andere schwerere Teilchen, die ähnliche Wechselwirkungen aufweisen. Diese schweren Teilchen wechselwirken mit Licht und den Kernen mittels derselben Kräfte, denen die Teilchen ausgesetzt sind, aus denen unser Körper und unser Sonnensystem bestehen.
    In der Physik kennt man das Elektron und schwerere ähnlich geladene Teilchen namens Myon und Tau. Wir wissen, dass diese Teilchen – die Leptonen genannt werden – mit neutralen Teilchen gepaart sind (Teilchen, die keine Ladung aufweisen und keinen elektromagnetischen Wechselwirkungen ausgesetzt sind), die Neutrinos heißen, welche nur durch die prosaisch bezeichnete schwache Kraft wechselwirken. Die schwache Kraft ist verantwortlich für den radioaktiven Betazerfall von Neutronen in Protonen (und für den Betazerfall von Kernen im Allgemeinen) und einige der Kernprozesse, die in der Sonne vorkommen. Die gesamte Materie des Standardmodells unterliegt der schwachen Kraft.
    Wir kennen auch Quarks, die es in Protonen und Neutronen gibt. Quarks unterliegen sowohl der schwachen Kraft als auch der starken Kernkraft, die sie in den Protonen und Neutronen zusammenhält. Die starke Kraft stellt zwar Herausforderungen an ihre Berechnung, aber wir verstehen ihre grundlegende Struktur.
    Die Quarks und Leptonen in Verbindung mit den starken, schwachen und elektromagnetischen Kräften sind die Hauptgegenstände des Standardmodells (siehe die Zusammenfassung des Standardmodells der Elementarteilchenphysik in Abbildung 23). Mit diesen Bestandteilen konnten Physiker die Ergebnisse aller bisherigen Experimente der Elementarteilchenphysik erfolgreich vorhersagen. Wir verstehen die Teilchen des Standardmodells, und wie sich deren Kräfte auswirken, sehr gut.

Abb. 23: Die Bestandteile des Standardmodells der Elementarteilchenphysik, das die grundlegendsten bekannten Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen beschreibt. Quarks vom Up- und Down-Typ unterliegen der starken, schwachen und elektromagnetischen Kraft. Geladene Leptonen unterliegen der schwachen und der elektromagnetischen Kraft, während Neutrinos nur der schwachen Kraft unterliegen.
    Dennoch bleiben einige große Rätsel bestehen.
    Die wichtigste dieser Herausforderungen ist es, die Gravitation in dieses Bild einzufügen. Das ist eine große Frage, und der LHC hat zwar eine gewisse Chance, sie zu untersuchen, ist jedoch weit davon entfernt, eine Garantie für ihre Beantwortung zu bieten. Die Energie des LHC, obwohl sie hoch ist im Vergleich dazu, was zuvor hier auf der Erde geleistet wurde, und im Hinblick auf die nötigen Anforderungen zur Lösung von einigen der großen Rätsel, die als nächste auf der Liste stehen, so ist sie doch viel zu niedrig, um die Fragen bezüglich der Quantengravitation endgültig zu beantworten. Um das zu tun, müssten wir die unendlich winzigen Längen untersuchen, bei denen sowohl quantenmechanische als auch Gravitationseffekte in Erscheinung treten können – und das liegt weit jenseits der Reichweite des LHC. Wenn wir Glück haben und die Gravitation eine große Rolle für die Lösung der Probleme der Teilchenphysik spielt, die wir in Kürze im Hinblick auf die Masse betrachten werden, dann werden wir weitaus eher in der Lage sein, diese Frage zu beantworten, und der LHC könnte wichtige Informationen über die Gravitation und den Raum enthüllen. Andernfalls liegen experimentelle Prüfungen jeder Quantengravitationstheorie – einschließlich der Stringtheorie – sehr wahrscheinlich in ferner Zukunft.
    Die Beziehung der Gravitation zu den anderen Kräften ist jedoch nicht die einzige wichtige Frage, die an dieser Stelle unbeantwortet