Das für mich Spannende an der Teilchenphysik ist, dass es halt
wirklich die Gesetze, die die Wechselwirkung von Elementarteilchen
beschreiben und die zugrundeliegenden Gesetze kennen wir tatsächlich
noch nicht.
Unsere Forschung beschäftigt sich damit, wie die Natur auf ihrer
fundamentalsten Ebene funktioniert und das finde ich unglaublich
spannend.
Unsere Sprache ist ja die Mathematik und wenn man sich die
Teilchenphysik oder die Fundamente der Teilchenphysik aufschreibt,
dann ist das mathematisch gesehen sehr ästhetisch.
Bevor es zur mathematischen Sprache kommt, brauchen die meisten von
uns erstmal eine kleine Einführung in die Sprache der Materieteilchen.
Es ist zum Beispiel die Rede von Fermionen und Bosonen.
Der Spin kommt als Klassifizierung auch zu Wort.
Dr. Otto Eberhardt.
Genau, also man klassifiziert die Elementarteilchen zunächst erstmal
nach ihrem Spin.
Dieser Spin wird einfach als Zahl genannt, die diesem Teilchen
zugeordnet wird.
Es gibt halbzahlige Spin-Teilchen.
Diese Teilchen werden als Fermionen bezeichnet und es gibt andere
Elementarteilchen, die einen ganzzahligen Spin haben.
Das sind die Bosonen.
Das Standardmodell der Teilchenphysik kennt zwölf Fermionen.
Aufgrund ihrer ähnlichen Eigenschaften teilt man diese Fermionen in
drei Generationen a4 Teilchen ein.
Die erste Generation ist einigen von uns aus dem Chemieunterricht
bekannt.
Zu ihr zählt das Elektron, das Elektronenneutrino, sowie das Up- und
das Down-Quark.
Aus Up- und Down-Quarks sind schwerere Teilchen wie Protonen und
Neutronen und somit alle Elemente des Periodensystems aufgebaut.
Das Standardmodell würde auch nur mit den Teilchen dieser ersten
Generation funktionieren.
Und aus irgendeinem Grund, niemand weiß warum, leistet sich die Natur
den Luxus, dass sie noch zwei zusätzliche Kopien von diesen Teilchen
hat.
Und eine offensichtliche Frage ist jetzt natürlich, wenn es zwei
solche Kopien gibt, gibt es vielleicht noch eine dritte.
Und eine offensichtliche Frage ist dann halt, gibt es vielleicht noch
eine vierte Generation.
Und mit der haben wir uns jetzt ja auch beschäftigt in unserer Arbeit.
Und gibt es sie?
Dr. Wiebusch.
Ich muss mal ein bisschen erklären, wie das Standardmodell
funktioniert.
Um zu funktionieren, benötigt es eine Symmetrieigenschaft.
Und diese Symmetrie verbietet eigentlich, dass die Teilchen Masse
haben.
Also die müssten alle masselos sein, so wie das Photon, das sich
ständig mit Lichtgeschwindigkeit bewegen kann.
Es gibt einen Trick, wie man diese Einschränkung umgehen kann.
Jetzt kommt das am 4.
Juli letzten Jahres entdeckte Higgs-Boson ins Spiel.
Sie erinnern sich, ein Boson ist ein Teilchen mit ganzzahligem Spin.
Die Art und Weise, wie wir das Higgs-Boson gefunden haben am LHC ist,
also wir kollidieren Protonen.
Und diese Protonen bestehen eigentlich aus Up- und Down-Quarks und
werden durch Gluonen zusammengehalten.
Gluonen sind Teilchen, die starke Kernkraft vermitteln.
Das Interessante ist jetzt, sowohl die Gluonen als auch die Photonen
sind masselos.
Das heißt, die wechselwirken eigentlich gar nicht direkt mit dem Higgs
-Boson.
Sondern wechselwirken durch einen Umweg mit sogenannten schweren Top
-Quarks.
Das sind aber virtuelle Top-Quarks, die wegen des
Energieerhaltungsgesetzes gar nicht da sind.
Aber in der Quantenmechanik kann man sich Energie für kurze Zeit
borgen, wenn die Natur nicht so genau hinguckt.
Und auf diesem Umweg über die Top-Quarks entsteht das Higgs-Boson.
Das Higgs-Teilchen fliegt dann in der Gegend herum und zerfällt
irgendwann wieder in zwei Photonen.
Wie steht jetzt diese Entdeckung der Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld
im Zusammenhang mit dem Standardmodell aus zwölf Fermionen?
Diese Kopplung an Gluon und an Photon, die wir letztlich ausgenutzt
haben, um das Higgs-Boson zu finden, wird vermittelt durch das
schwerste Teilchen, was wir zur Verfügung haben.
Das ist das Top-Quark.
Und jetzt ist es eigentlich offensichtlich, wenn es noch zusätzliche
schwerere Teilchen gäbe.
Dann wären alle diese Rechnungen falsch.
Dann würde diese Wechselwirkung vermittelt durch ein anderes Teilchen,
was noch schwerer ist.
Und das würde die Zerfallseigenschaften von dem Higgs-Boson komplett
verändern.
Und deswegen, mit dem bisschen, was wir jetzt schon über das Higgs
-Boson wissen, sind wir sehr sensitiv auf zusätzliche Teilchen, die
ihre Masse durch den Higgs-Mechanismus bekommen.
Und das ist im Grunde genommen der Kern unserer Arbeit.
Oder das, was hauptsächlich dazu führt, dass wir diese zusätzlichen
Teilchen ausschließen können.
Weil alles, was wir gesehen haben, passt wunderbar zu einem
Standardmodell mit nur drei Generationen.