WEBVTT 00:00.780 --> 00:05.260 Folgen Sie uns mit InsideScience und werfen Sie den Forschern einen 00:05.260 --> 00:06.180 Blick über die Schulter. 00:07.300 --> 00:11.420 In diesem Beitrag Präzision und die fundamentalen Fragen der 00:11.420 --> 00:12.330 theoretischen Teilchenphysik. 00:14.180 --> 00:17.220 Die theoretische Teilchenphysik befindet sich in einer aufregenden 00:17.220 --> 00:17.640 Phase. 00:18.820 --> 00:22.380 Was ist es, was die Welt im Innersten zusammenhält, fragen sich die 00:22.380 --> 00:23.370 Physiker schon seit Jahrhunderten. 00:25.300 --> 00:29.080 Je weiter die Forschung voranschreitet, desto mehr zeigt sich, es gibt 00:29.080 --> 00:32.200 Phänomene, die die bisherigen Theorien nicht mehr erklären können. 00:33.860 --> 00:37.680 Auf der Erde sind wir es im Alltag gewohnt, Dinge präzise vorhersagen 00:37.680 --> 00:38.160 zu können. 00:39.160 --> 00:42.200 Wie viele Kilometer muss man von A nach B zurücklegen? 00:42.800 --> 00:44.220 Wie viele Kilo wiegt etwas? 00:44.900 --> 00:47.500 Wie viel Energie braucht es, um ein Haus zu heizen? 00:49.400 --> 00:53.180 Blicken wir jedoch genauer in den Sternenhimmel oder in die Welt der 00:53.180 --> 00:56.360 kleinsten Teilchen, so sieht die Sache schon ganz anders aus. 00:56.620 --> 01:00.300 Je genauer die theoretischen Teilchenphysiker hinschauen, desto mehr 01:00.300 --> 01:03.700 Abweichungen von den bisher anerkannten Theorien fallen ihnen auf. 01:04.540 --> 01:08.220 Dies gilt für astronomische Beobachtungen im Weltall, genauso wie für 01:08.220 --> 01:12.640 Teilchenkollisionen in den neuen Beschleunigern, wie dem LHC am CERN. 01:14.340 --> 01:17.400 Stellen Sie sich vor, dass Sie zwei Gläser miteinander zerschlagen. 01:18.400 --> 01:22.020 Zunächst sieht der Scherbenhaufen wie gewohnt aus, doch beim genaueren 01:22.020 --> 01:25.080 Blick auf die Splitter merken Sie, dass die Bruchstücke nicht mehr 01:25.080 --> 01:28.960 exakt zusammenpassen und dass sich die Energie des Aufpralls immer ein 01:28.960 --> 01:32.220 wenig anders auf die Splitter verteilt, als Sie es erwartet haben, 01:32.500 --> 01:34.740 egal wie oft Sie das Experiment wiederholen. 01:36.260 --> 01:39.360 Dabei geht es immerhin um die wichtigste und erfolgreichste Theorie 01:39.360 --> 01:40.700 der letzten 40 Jahre. 01:41.320 --> 01:42.760 Das Standardmodell der Teilchenphysik. 01:43.720 --> 01:47.420 Mit ihm berechnen Teilchenphysiker auf der ganzen Welt, wie Teilchen 01:47.420 --> 01:50.160 entstehen und welche Kräfte zwischen ihnen wirken. 01:51.060 --> 01:55.020 Man könnte also sagen, mit dem Standardmodell wird bisher alles 01:55.020 --> 01:58.900 berechnet, was in der Welt der kleinsten Teilchen Rang und Namen hat. 02:00.300 --> 02:03.700 Um was handelt es sich eigentlich bei einer Theorie, die in der Lage 02:03.700 --> 02:05.340 ist, Teilchenphysik zu beschreiben? 02:06.260 --> 02:09.700 Hinter dem Standardmodell der Teilchenphysik steckt eine sogenannte 02:09.700 --> 02:11.900 relativistische Quantenfeldtheorie. 02:12.840 --> 02:15.920 Das klingt zunächst wie die Kopfgeburt eines Science-Fiction-Autors, 02:15.920 --> 02:20.600 aber hier treffen die zwei atemberaubendsten Theorien des 20. 02:20.820 --> 02:21.820 Jahrhunderts aufeinander. 02:22.880 --> 02:25.920 Die Quantentheorie und die Einstein'sche Relativitätstheorie. 02:27.380 --> 02:31.520 Zunächst einmal, nach Einsteins berühmter Formel, ist Masse eine Form 02:31.520 --> 02:32.180 von Energie. 02:32.880 --> 02:35.960 Teilchenbeschleuniger nutzen dies, um Energie in Teilchen umzuwandeln. 02:37.200 --> 02:40.200 Je mehr Energie die kollidierenden Teilchen haben, desto schwerere 02:40.200 --> 02:42.380 Teilchen können in der Kollision erzeugt werden. 02:42.380 --> 02:46.660 Und nach der Quantenfeldtheorie können Kräfte, die zwischen den 02:46.660 --> 02:50.360 Materieteilchen wirken, durch den Austausch anderer Elementarteilchen 02:50.360 --> 02:51.160 beschrieben werden. 02:51.800 --> 02:55.060 Wie bei zwei Raumfahrern im All, die sich durch das Zuwerfen von 02:55.060 --> 02:56.540 Bällen voneinander wegbewegen. 02:58.020 --> 03:00.400 Die neuen schweren Teilchen werden schnell wieder zerfallen. 03:01.320 --> 03:03.560 Diesmal wirkt Einsteins Formel in der anderen Richtung. 03:04.000 --> 03:05.360 Aus Masse wird wieder Energie. 03:07.220 --> 03:10.560 Die leichten Teilchen, die im Zerfall entstehen, werden dann im 03:10.560 --> 03:11.680 Detektor nachgewiesen. 03:12.480 --> 03:16.700 Das Studium von Erzeugung und Zerfall schwerer Teilchen erlaubt es, 03:16.760 --> 03:18.080 nach neuen Kräften zu suchen. 03:19.320 --> 03:23.220 Es geht also um Energie-Materieteilchen und um Kräfte zwischen den 03:23.220 --> 03:24.220 Materieteilchen. 03:25.300 --> 03:29.420 Wir suchen nach neuen Naturgesetzen und dazu gehören neue Teilchen und 03:29.420 --> 03:31.500 neue Kräfte, die zwischen ihnen wirken. 03:32.180 --> 03:35.720 Die Teilchenphysiker benutzen für ihre Untersuchungen riesige 03:35.720 --> 03:36.780 Teilchenbeschleuniger. 03:36.780 --> 03:41.000 In ihnen werden kleinste Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten 03:41.000 --> 03:43.240 beschleunigt und zur Kollision gebracht. 03:43.960 --> 03:48.080 Je größer die entstehende Energie ist, umso kleinere Strukturen kann 03:48.080 --> 03:48.800 man untersuchen. 03:50.100 --> 03:53.160 Mithilfe des Standardmodells machen sich die Physiker nicht nur ein 03:53.160 --> 03:56.780 genaues Bild von den alltäglichen elektrischen und magnetischen 03:56.780 --> 03:57.200 Kräften. 03:58.060 --> 04:01.080 Auch die Wechselwirkung der Kernkräfte lässt sich damit erklären. 04:01.660 --> 04:05.080 Sogar die Entdeckung der Quarks lässt sich auf Forschung anhand dieses 04:05.080 --> 04:06.180 Modells zurückführen. 04:07.220 --> 04:11.560 Quarks sind die Bausteine, aus denen sich Neutronen und Protonen 04:11.560 --> 04:14.960 zusammensetzen, die wiederum den Atomkern bilden. 04:17.120 --> 04:20.400 Das Standardmodell der Teilchenphysik, das beschreibt die uns heute 04:20.400 --> 04:23.860 bekannten grundlegenden Bausteine der Materie und ihre 04:23.860 --> 04:25.020 Wechselwirkungen untereinander. 04:26.040 --> 04:29.160 Und das ist eigentlich eine Theorie der Superlative, denn es 04:29.160 --> 04:32.600 beschreibt die Physik auf Abständen, die sich über mehr als 20 04:32.600 --> 04:33.900 Größenordnungen erstrecken. 04:33.900 --> 04:36.160 Weit mehr als 20 Größenordnungen. 04:36.260 --> 04:39.240 Das geht von der mikroskopischen Skala auf dem Niveau der 04:39.240 --> 04:43.040 Elementarteilchen bis hin zu makroskopischen Skalen im Universum. 04:44.000 --> 04:46.120 Außerdem ist es sehr genau getestet worden. 04:46.600 --> 04:49.980 So wurde es in den vergangenen Experimenten wie dem Large-Electron 04:49.980 --> 04:53.860 -Positron -Kollider am CERN beispielsweise auf Promillenniveau 04:53.860 --> 04:54.140 getestet. 04:54.140 --> 04:57.880 Und auch konnten die theoretischen Physiker im Rahmen des 04:57.880 --> 05:02.400 Standardmodells Vorhersagen machen, die dann im Experiment geprüft und 05:02.400 --> 05:03.260 getestet wurden. 05:03.440 --> 05:05.280 Und das alleine ist ja schon unglaublich. 05:05.620 --> 05:07.860 Dennoch weist das Standardmodell Schwächen auf. 05:08.280 --> 05:11.900 So ist es nicht klar, wie die Materie, die Masse der Teilchen, in 05:11.900 --> 05:15.680 mathematisch konsistenter Weise vor dem Hintergrund der Symmetrien des 05:15.680 --> 05:17.420 Standardmodells generiert werden kann. 05:18.660 --> 05:22.660 Auch kann das Standardmodell quantitativ nicht das Ungleichgewicht 05:22.660 --> 05:25.380 zwischen Materie und Antimaterie erklären. 05:26.200 --> 05:29.840 Dass es dieses Ungleichgewicht gibt, darauf deutet schon allein unsere 05:29.840 --> 05:30.640 Existenz hin. 05:31.260 --> 05:35.460 Dieses Ungleichgewicht ist wichtig, denn wenn Materie und Antimaterie 05:35.460 --> 05:37.500 aufeinander treffen, dann zerstrahlen die. 05:38.260 --> 05:40.940 Wäre das Ungleichgewicht nicht da, dann gäbe es uns auch nicht. 05:41.060 --> 05:43.660 Alle Materie und Antimaterie wären zerstrahlt. 05:43.660 --> 05:47.680 Das Standardmodell liefert auch keinen geeigneten Kandidaten für die 05:47.680 --> 05:48.600 dunkle Materie. 05:49.640 --> 05:54.360 Dunkle Materie und dunkle Energie machen immerhin 96% unseres 05:54.360 --> 05:55.280 Universums aus. 05:55.820 --> 06:00.600 Nur etwa 4% sind baryonischer Natur, also derart, aus der Sterne, 06:00.840 --> 06:03.300 Planeten und letztlich auch wir aufgebaut sind. 06:03.300 --> 06:06.900 Schließlich vermag es auch die vierte fundamentale Kraft, die 06:06.900 --> 06:08.600 Schwerkraft, nicht mit einzubinden. 06:08.840 --> 06:12.300 Und deswegen suchen wir Teilchenphysiker eben nach neuen Theorien, 06:12.700 --> 06:16.460 nach neuen Ansätzen, die uns helfen können, diese mit diesen Schwächen 06:16.460 --> 06:19.440 des Standardmodells verbundenen Fragen zu beantworten. 06:19.440 --> 06:23.680 Es gibt fünf fundamentale Fragen, mit denen sich Teilchenphysiker auf 06:23.680 --> 06:25.060 der ganzen Welt beschäftigen. 06:25.820 --> 06:28.880 Wie entstand die Masse der Elementarteilchen, aus denen wir heute 06:28.880 --> 06:29.380 bestehen? 06:30.600 --> 06:34.840 Woraus bestehen die 96% des Universums, die wir bisher nicht sehen 06:34.840 --> 06:35.180 können? 06:36.200 --> 06:38.180 Warum war der Urknall asymmetrisch? 06:38.680 --> 06:40.220 Und wo ist die Antimaterie? 06:40.960 --> 06:44.660 Wie sahen Materie und Kräfte kurz nach dem Urknall aus? 06:44.660 --> 06:49.440 Gibt es eine neue Form von Symmetrie, die Materie mit Kräften 06:49.440 --> 06:50.120 verknüpft? 06:51.940 --> 06:57.340 Im Karlsruher Institut für Technologie, dem KIT, beschäftigt sich der 06:57.340 --> 07:00.860 Sonderforschungsbereich Computergestützte Theoretische Teilchenphysik 07:00.860 --> 07:02.560 mit genau diesen Fragen. 07:02.560 --> 07:06.560 Die Wissenschaftler aus Karlsruhe arbeiten mit Forschern der 07:06.560 --> 07:10.340 Universitäten Aachen und Berlin sowie dem Deutschen Elektronen 07:10.340 --> 07:12.640 -Synchrotron DESY in Berlin-Zeuten zusammen. 07:13.860 --> 07:17.260 Ihre Forschung basiert auf computergestützter Präzisionsrechnung. 07:19.200 --> 07:21.320 Mit diesen Berechnungen machen die Mitarbeiter des 07:21.320 --> 07:24.800 Sonderforschungsbereichs Vorhersagen, die dann wiederum die Forscher 07:24.800 --> 07:29.360 am LHC in Genf und an anderen großen Beschleunigern mit ihren 07:29.360 --> 07:30.820 Experimenten überprüfen. 07:31.820 --> 07:38.160 Wir versuchen mit Hilfe von neuen Methoden im Raum der 07:38.160 --> 07:44.980 Quantenfeldtheorie und mit computergestützten Präzisionsrechnungen die 07:44.980 --> 07:50.280 Parameter des Standardmodells, welches ja die gesamten Phänomene der 07:50.280 --> 07:55.620 Teilchenphysik derzeit sehr gut beschreibt, genauer zu bestimmen. 07:55.620 --> 08:01.880 Diese Parameter gehen dann wiederum ein in Vorhersagen für Experimente 08:01.880 --> 08:06.620 am Large Hadron Collider in Genf und auch an anderen Beschleunigern. 08:07.370 --> 08:13.080 Nun ja, in der Schule kennen Sie Rechnungen mit Unbekannten, mit X und 08:13.080 --> 08:13.400 Y. 08:13.840 --> 08:19.900 Sie haben Rechnen mit Buchstaben kennengelernt und in ähnlicher Art 08:19.900 --> 08:25.620 und Weise werden auch hier Rechnungen durchgeführt, bei denen wir mit 08:25.620 --> 08:30.720 Buchstaben rechnen, allerdings nicht nur mit X und Y, sondern mit 08:30.720 --> 08:32.320 Millionen von Unbekannten. 08:33.100 --> 08:38.920 Und diese Rechnungen haben ein Grad von Komplexität, dass man sie eben 08:38.920 --> 08:42.260 nicht mehr mit Papier und Bleistift durchführen kann, sondern 08:42.260 --> 08:46.920 zwangsläufig die Hilfe des Computers in Anspruch nehmen wird. 08:47.480 --> 08:49.280 Warum müssen Sie präziser werden? 08:49.280 --> 08:56.040 Nun ja, einerseits wollen wir natürlich feststellen, ob tatsächlich 08:56.040 --> 09:00.260 die Vorhersagen des Standardmodells so genau stimmen und das kann man 09:00.260 --> 09:04.720 eigentlich nur dadurch erreichen, dass man eben die Präzision immer 09:04.720 --> 09:05.540 weiter vorantreibt. 09:06.540 --> 09:12.660 Andererseits wären Abweichungen ein Hinweis auf eine erweiterte 09:12.660 --> 09:16.620 Theorie, auf Modifikationen, die durchgeführt werden. 09:17.180 --> 09:22.440 Und schlussendlich gibt es Konzepte, welche es in gewissen Fällen 09:22.440 --> 09:27.600 erlauben, die Parameter des Standardmodells auch aus übergeordneten 09:27.600 --> 09:30.660 Gesichtspunkten eben vorherzusagen. 09:30.660 --> 09:35.520 Wir gehen also aus von der sogenannten Lagrange-Dichte, die Sie hier 09:35.520 --> 09:35.860 sehen. 09:36.040 --> 09:39.520 Das ist ein komplizierter Satz von Formeln, entscheidend für das 09:39.520 --> 09:45.300 folgende ist aber, dass in dieser Funktion gewisse Parameter 09:45.300 --> 09:51.060 vorkommen, die letztendlich dann den Quarkmassen und der Stärke der 09:51.060 --> 09:52.740 starken Wechselwirkung entsprechen. 09:52.740 --> 09:57.800 Diese Parameter bestimmen wir, beispielsweise die Masse des Botton 09:57.800 --> 10:04.660 -Quarks mit einer Formel, in die einerseits experimentelle Größen 10:04.660 --> 10:12.560 eingehen, hier groß M bezeichnet, und Konstanten C, welche aus einer 10:12.560 --> 10:17.300 aufwändigen Rechnung entstehen, die eben unsere Aufgabe ist und die 10:17.300 --> 10:20.100 ich im Folgenden ganz kurz beschreiben will. 10:20.100 --> 10:26.040 Was wesentlich ist für das folgende und für unser Verfahren, sind 10:26.040 --> 10:29.560 Rechnungen mit Hilfe sogenannter Feynman-Diagramme. 10:30.440 --> 10:34.540 Das Beispiel für solche Feynman-Diagramme sehen Sie hier. 10:35.940 --> 10:41.940 Sie sehen, es handelt sich dabei um Grafiken mit Schleifen, mit vielen 10:41.940 --> 10:48.440 Schleifen, deshalb nennen wir diese Verfahren auch Multi-Loop 10:48.440 --> 10:50.560 -Rechnungen, viel Schleifen-Rechnungen. 10:50.560 --> 10:56.880 Und jede dieser Feynman-Diagramme stellt in Wirklichkeit eine 10:56.880 --> 11:00.020 Vorschrift für gewisse Integrale dar. 11:00.340 --> 11:03.760 Sie sehen hier das erste dieser Feynman-Diagramme. 11:04.760 --> 11:10.840 Nun kommt erschwerend hinzu, dass sehr oft ein einzelnes Diagramm, 11:10.840 --> 11:15.580 hier ist nun wiederum ein solches Feynman-Diagramm aufgezeichnet, ein 11:15.580 --> 11:24.860 Drei -Schleifen-Diagramm, zerlegt werden kann in viele Teilobjekte, in 11:24.860 --> 11:31.820 diesem Bild hier 35, und diese Objekte werden nun in einem nächsten 11:31.820 --> 11:35.400 Schritt wieder zerlegt und dann können Sie sich sehr gut vorstellen, 11:35.880 --> 11:38.940 dass man sehr schnell bei einem hohen Grad von Komplexität landet. 11:39.940 --> 11:45.160 Als Endresultat dieser Untersuchungen, wenn wir nun experimentelle 11:45.160 --> 11:49.960 Informationen in unsere Rechnung kombinieren, erhalten wir für die 11:49.960 --> 11:57.140 Bottengurg -Masse 4163 Megaelektronenvolt mit einem Fehler einer 11:57.140 --> 12:03.680 Unbestimmtheit von 16 Megaelektronenvolt und haben damit das weltweit 12:03.680 --> 12:05.940 genaueste Messresultat. 12:05.940 --> 12:11.320 Das Faszinierende dabei, durch diese Computerprogramme haben sich die 12:11.320 --> 12:15.300 KIT -Physiker ein Werkzeug geschaffen, mit dem sie an vorderster Front 12:15.300 --> 12:17.800 den Umbruch der Teilchenphysik vorantreiben können. 12:18.920 --> 12:23.800 Diese Technik erlaubt ihnen, ihre Ideen für neue Theorien mit präzisen 12:23.800 --> 12:27.760 Vorhersagen zu verknüpfen, zum Beispiel die supersymmetrische 12:27.760 --> 12:29.360 Erweiterung des Standardmodells. 12:29.360 --> 12:33.780 Die neuen Theorien liefern möglicherweise neue Kandidaten für die 12:33.780 --> 12:34.680 dunkle Materie. 12:35.580 --> 12:39.380 Die Karlsruher Forscher arbeiten somit direkt an den fundamentalen 12:39.380 --> 12:39.680 Fragen. 12:40.160 --> 12:43.280 Und diese werden in den nächsten Jahren mit hoher Wahrscheinlichkeit 12:43.280 --> 12:46.140 einen Durchbruch in der Teilchenphysik herbeiführen. 12:47.460 --> 12:51.880 Die KIT-Serie InsideScience blickt den Wissenschaftlern des 12:51.880 --> 12:53.720 Sonderforschungsbereichs über die Schulter. 12:53.720 --> 12:56.260 In weiteren Beiträgen erfahren Sie mehr. 12:57.140 --> 12:58.980 Wie bitte entsteht überhaupt Masse? 12:59.580 --> 13:01.380 Die Suche nach den Higgs-Teilchen. 13:02.180 --> 13:06.360 Supersymmetrische Teilchenkaskaden jenseits des Standardmodells der 13:06.360 --> 13:07.120 Teilchenphysik. 13:07.780 --> 13:09.760 Durch Staub zu den Sternen. 13:10.400 --> 13:13.080 Ist Forschung ohne Nutzen nutzlos? 13:13.780 --> 13:17.040 Die Monte-Carlo-Simulation für die Teilchenphysik. 13:17.720 --> 13:21.030 Raum, Zeit, Symmetrie und Antimaterie. 13:22.030 --> 13:26.430 Sehen Sie auch Beiträge aus den drei Rubriken Wissenschaftler im 13:26.430 --> 13:33.010 Gespräch Fundamentale Fragen der Teilchenphysik und InsideScience an Schulen.