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Inspirierende Unwissenheit: Perspektiven der Partikel- und Astrophysik auf der 60. Tagung der Nobelpreisträger

22.06.2010 - (idw) Kuratorium für die Tagungen der Nobelpreisträger in Lindau e.V.

Das Material, aus dem unsere Welt im Innersten gemacht ist, bot schon bei der ersten Tagung der Physiknobelpreisträger in Lindau kontroversen Gesprächsstoff. Beim 60. Nobelpreisträgertreffen, das am Sonntag beginnt, wird es eine Hauptrolle spielen. Denn seit wir wissen, dass nur vier Prozent unseres Weltalls aus bekannten und 96 Prozent aus unbekannten Zutaten bestehen, die in Form von Dunkler Materie (23 Prozent) und Dunkler Energie (73 Prozent) vermutet werden, ist dieses Material rätselhafter denn je. Seit kurzem bietet der gigantische Teilchenbeschleuniger LHC am Europäischen Kernforschungszentrum in Genf aber die Möglichkeit, experimentelles Licht in diese Dunkelheit zu bringen. Sechs Nobelpreisträger, die in den vergangenen Jahrzehnten entscheidende Beiträge zur Erklärung von Elementarteilchen und Kosmos geleistet haben,werden am Dienstag, 29. Juni, in Lindau bei einem Symposium erläutern, was sie sich vom LHC erhoffen. Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt die Regeln, nach denen zwölf Elementarteilchen, vier Kräfte und zwölf Feldteilchen, die diese Kräfte übertragen, zusammenwirken. Es wurde seit Mitte der 1970er Jahre entwickelt, experimentell immer wieder bestätigt und verschmolz bald weitgehend mit dem Urknallmodell der Kosmologie, das auf der Allgemeinen Relativitätstheorie beruht und die 1965 erstmals empirisch gestützte Annahme einschließt, dass unsere Welt aus der Explosion eines winzigen Punktes hochkonzentrierter Energie entstanden ist. Trotz seiner Eleganz hat dieses Standardmodell Lücken: Es kann zum Beispiel nicht erklären, wie die Elementarteilchen ihre Masse bekommen oder warum es drei Familien von Elementarteilchen gibt, von denen nur eine benötigt zu werden scheint. Auch lässt sich die Schwerkraft bisher nicht in den theoretischen Zusammenhang von Elementarteilchen und Kosmos integrieren. David Gross (Physiknobelpreis 2002) betonte deshalb in seinem Lindauer Vortrag The Large Hadron Collider and the Super World von 2008, der in der neuen Online-Mediathek der Nobelpreisträgertagung als Video verfügbar ist: Das wichtigste Produkt einer Erkenntnis wie der Entwicklung des Standardmodells ist Unwissenheit. Damit meinte er die fundierte Unwissenheit, die gute Fragen hervorruft, die man durch Beobachtung, Experimente und in der Theorie überprüfen und beantworten kann.

Nachweis weiterer Elementarteilchen im Large Hadron Collider

Antworten versprechen sich die Laureaten wie die jungen Wissenschaftler vor allem von den Experimenten am Large Hadron Collider (LHC) in Genf, einem wunderbaren Instrument, um Teilchen zu erzeugen, deren Existenz man vorher nicht kannte, wie Martinus Veltman (Physiknobelpreis 1999) 2008 in seinem Vortrag The Development of Particle Physics sagte. Mit einer Gesamtenergie von 14000 Milliarden Elektronenvolt prallen im LHC Wasserstoffkerne aufeinander, nachdem sie in einem 27 Kilometer umfassenden unterirdischen Ring fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wurden. Ähnlich hohe Energien herrschten im Universum etwa eine Billionstel Sekunde nach dem Urknall. Beim Zusammenprall verwandelt sich - gemäß der Einsteinschen Formel E = mc² - ein Teil dieser Energie in Materie. Im LHC könnten daher Teilchen nachgewiesen werden, die für den Ursprung unseres Universums charakteristisch sind und damit die Rätsel seiner Konstruktion erhellen. Dazu gehört das bisher nicht nachgewiesene Higgs-Teilchen, das theoretisch existieren muss, um Elementarteilchen zu ihrer Masse zu verhelfen. Gesucht werden aber auch elektromagnetisch neutrale Teilchen, die Bausteine der Dunklen Materie sein könnten, die sogenannten WIMPS (weakly interacting massive particles).
Bereits seit fast 80 Jahren gehen Astrophysiker von der Existenz einer nicht sichtbaren Materie aus. Denn Galaxien rotieren schneller als es aufgrund der Gravitationsgesetze und ihrer sichtbaren Massen der Fall sein dürfte. Ihre Sterne weisen durchschnittlich nur etwa zehn Prozent der Masse auf, die notwendig wäre, um sie durch Schwerkraft zusammen zu halten und nicht auseinanderfliegen zu lassen. Mit dem Linseneffekt der Gravitation konnte die dunkle Materie, die die Sterne einer Galaxie wie ein Gerüst umschließt, in den siebziger Jahren nachgewiesen werden: Sie krümmt den Raum und lenkt das Licht ab, das von weit entfernten Objekten zur Erde gelangt. Demnach macht Dunkle Materie 23 Prozent der Gesamtmasse des Universums aus.

Dynamisches Wechselspiel im Vakuum

Die Dunkle Energie wurde erst 1998 entdeckt. Sie wirkt der Schwerkraft entgegen und beschleunigt die Ausdehnung des Weltalls. Was sich hinter dieser Energie verbirgt, die fast drei Viertel der Masse unseres Weltalls ausmacht, weiß niemand. Es gibt Spekulationen, dass sie mit der Energiedichte im Vakuum zu tun haben könnte. Denn während Materie sich über die Schwerkraft anzieht, stoßen Teile des leeren Raumes einander offenbar ab, weil das Vakuum Energie enthält. Diese Energie des Nichts ist eines der größten gegenwärtigen Rätsel der Physik, wie David Gross in seinem Vortrag humorvoll anmerkte: Unser Job ist es, Nichts zu verstehen; wenn wir das Vakuum verstehen, ist der Rest trivial.
Woher die Kraft des Nichts kommen könnte, erläuterte Werner Heisenberg, der 1932 im Alter von 31 Jahren den Physiknobelpreis erhalten hatte, 1968 in seinem Vortrag über Kosmologische Probleme in der heutigen Atomphysik. Er bezog sich dabei auf seinen englischen Kollegen Paul Dirac (Physiknobelpreis 1933), der selbst insgesamt zehn Mal an der Lindauer Tagung teilgenommen hat. Bei der Umwandlung von Energie in Materie, so hatte Dirac entdeckt, entsteht immer auch Antimaterie, also zum Beispiel ein Teilchen wie das Elektron und ein Antiteilchen wie das Positron. Treffen umgekehrt ein Teilchen und ein Antiteilchen aufeinander, werden sie in Energie verwandelt und vernichtet. Auch das reine Nichts, so Heisenberg, könne also virtuell übergehen in eine Anzahl von Paaren und wird dadurch zu einem zusammengesetzten System oder besser zu einem dynamischen Problem. Im Nichts herrschte demnach ein ständiges Wechselspiel zwischen Materie und Energie, die sich fast unendlich schnell ineinander hin und zurück verwandelten die sogenannten Vakuumfluktuationen.

Auch aus der Energie des Urknalls sind nach dem heutigen Wissensstand der Physik gleichzeitig Materie und Antimaterie entstanden, die sich eigentlich sofort wieder hätten vernichten müssen, wenn sich nicht eine leichte Asymmetrie zugunsten der Materie herausgebildet hätte, die die Entstehung unserer Welt ermöglichte. Ich glaube, dass man eben schon jetzt sieht, wo die Brücke von der Atom- und Elementarteilchenphysik geschlagen werden muss zur Kosmologie, erklärte Heisenberg und prophezeite hellsichtig die kommende Verschmelzung beider Disziplinen der Physik. Das sei zwar noch Zukunftsmusik, sagte Heisenberg damals, aber ich glaubte doch, dass man hier in Lindau gelegentlich über Zukunftsmusik sprechen darf.

Symposium am Dienstag, 29. Juni, ab 14.30 Uhr mit Live-Schaltung nach Genf in das LHC-Kontrollzentrum/Live-Übertragung des Symposiums auf http://www.lindau-nobel.org

"What will CERN teach us About the Dark Energy and Dark Matter of the Universe?" mit den Nobelpreisträgern David Gross (2004 P), John C. Mather (2006 P), Gerardus t Hooft (1999 P), Carlo Rubbia (1984 P), George F. Smoot (2006 P), Martinus J.G. Veltman (1999 P)


Bei der 60. Nobelpreisträgung wird es außer dem erwähnten Symposium acht Vorträge und Diskussionen zu Elementarteilchen und Kosmologie geben:

John C. Mather (Physiknobelpreis 2006): The History of the Universe, from the Beginning to the Ultimate End
George F. Smoot (Physiknobelpreis 2006): Mapping the Universe and its History
Robert W. Wilson (Physiknobelpreis 1978): The Discovery of Cosmic Background Radiation and its Role in Cosmology
Carlo Rubbia (Physiknobelpreis 1984): Underground Physics: Neutrino and Dark Matter
David Gross (Physiknobelpreis 2004): Frontiers of Physics
Gerardus t Hooft (Ph
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