2008 - Was gibt’s neues am LHC?

[tomS]

Hallo zusammen und ein gutes neues Jahr 2008.

Hoffentlich wird's das auch für die Wissenschaft, z.B. für den LHC am CERN: Der Energiebereich reicht von einigen 100 GeV bis zu 7 TeV und sollte bis August 2008 vollständig in Betrieb genommen sein. Damit verbunden sind einige Großexperimente mit interessanten Forschungsrichtungen:

Bekannte Physik
Zunächst werden aufgrund der höheren Luminosität (d.h. der ~Wechselwirkungshäufigkeit als Ergebnis der höheren Strahldichte) im bereits bekannten Energiebereich bessere Ergebnisse (niedrigere Fehler, höhere Auflösung) erwartet, so dass das Standardmodell inklusive der Vereinheitlichung von elektromagnetische und schwacher Kraft deutlich bestätigt werden sollte.
Außerdem können für bestimmte Parameter des Standardmodells Präzisionsmessungen durchgeführt werden, so z.B. für die CP Verletzung in B-Mesonen-Zerfällen sowie für die Mischungsmatrix der verschiedenen Quark-Flavors (die unterschiedlichen Wechselwirkungen im Standardmodell sind sich quasi „nicht einig“, was z.B. ein u-Quark ist; was die eine WW als u-Quark sieht, sieht die andere WW als Mischung aus u, c und t; das hat nichts mit der Neutrino-Oszillation zu tun).

Higgs-Teilchen
Ein Schlüsselexperiment wird der erhoffte (und für die Konsistenz des Standardmodells notwendige) Nachweis des Higgs-Teilchens sein. Dieses Teilchen wurde postuliert, um die elektroschwache Eichsymmetrie zu brechen und den W- und Z-Bosonen eine Masse zu verleihen (die experimentell bestätigt werden konnte). Massebehaftete Eichbosonen sind mathematisch schwierig zu beschreiben, da einfache Ansätze zum Verlust der Eichinvarianz und der Unitarität führen. Der einzige bekannte Mechanismus funktioniert über das Higgs-Boson. Im Gegensatz zur Masse der Eichbosonen kann man die des Higgs-Teilchens jedoch nicht vorhersagen, lediglich ein Massebereich lässt sich über indirekte Methoden (erste Ordnung Störungstheorie) eingrenzen.
Innerhalb dieses Massenbereiches wird der LHC die Wechselwirkung abtasten und nach Signalen für das Higgs-Teilchen suchen. Da es am LEP nicht gefunden wurde, muss es schwerer als ca. 100 GeV sein. Generell sollte es leichter als 1 TeV sein. Unter bestimmten Annahmen (keine neue Physik jenseits des Standardmodells bis zur Planck-Energie) sollte es leichter als 200 GeV sein.
Falls es das Higgs tatsächlich gibt, wird es der LHC finden. Falls es nicht existiert, oder falls es nicht elementar sondern zusammengesetzt ist, ist das ein schwerer Schlag für das Standardmodell.

Quark-Gluon-Plasma
Am LHC werden Experimente zum Quark-Gluon-Plasma durchgeführt werden. In diesem exotischen Aggregatzustand der Materie verhalten sich Quarks und Gluonen wie freie Teilchen, die eine Art Flüssigkeit bilden. Sie sind nicht mehr „eingesperrt“ (keine Confinement mehr) und bilden keine Nukleonen (Protonen, Neutronen) Oder andere Teilchen.
Die bisherigen Experimente zum Quark-Gluon-Plasma werden am LHC um den Faktor 30 bzgl. der Energie übertroffen. Zu diesem Zweck werden dann keine Protonen, sondern Bleiatomkerne beschleunigt.

Supersymmetrie
Eine weitere mögliche Neuigkeit wäre die Entdeckung der Supersymmetrie. Da die supersymmetrischen Partnerteilchen der bekannten Teilchen bisher nicht gefunden wurden, gibt es zwei Möglichkeiten: sie existieren nicht, d.h. die Supersymmetrie ist nicht existent; sie haben eine deutlich höhere Masse und die Supersymmetrie ist spontan gebrochen. Falls letzteres gilt und falls die Massenskala nicht zu hoch ist, kann der LHC bestimmte Signaturen der Supersymmetrie aufspüren. Die leichtesten supersymmetrische Partnerteilchen (Neutralino) wären dabei stabil (sie können nicht in bekannte Teilchen zerfallen, das verbietet die Supersymmetrie; sie können nicht in andere supersymmetrische zerfallen, sonst wären es nicht die leichtesten). Diese Teilchen wären gute Kandidaten für die dunkle Materie (die ja auch mit normalen Teilchen nur gering wechselwirkt) und die fehlende Materie im Universum.
Der Nachweis des Neutralinos erfolgt ziemlich abenteuerlich: da es nicht mit normaler Materie wechselwirkt, weist man es dadurch nach, dass man es eben nicht nachweist :-) d.h. man findet „fehlende Energie“ und „fehlenden Impuls“ und schließt dadurch auf die Existenz eines neuen Teilchens.
Eine supersymmetrische Erweiterung des Standardmodells würde die Vereinheitlichung der starken und der elektroschwachen Kraft „besser“ beschreiben. Aus bestimmten Rechnungen ergäbe sich, dass die drei Kräfte (stark, schwach, elektromagnetisch) bei einer einzigen Energie exakt vereinheitlicht würden.
Für eine supersymmetrische Version der QCD wurde das sogenannte Confinement für Farbladungen mathematisch bewiesen (Supersymmetrie ist aber nicht zwingend notwendig für das Confinement; in diesem speziellen Fall ergibt sich aus der Supersymmetrie eine bestimmte mathematische Eigenschaft, mittels der sich bestimmte Berechnungen vereinfachen lassen).
Eine Entdeckung der Supersymmetrie könnte ein Hinweis auf die Superstringtheorie sein, allerdings ist Supersymmetrie auch ohne Stringtheorie möglich und wäre nur ein Hinweis, kein Beweis.

Mini-Black-Holes und Extradimensionen
Spannend wäre auch die mögliche Entdeckung von Mini-Black-Holes als Ergebnis von Teilchenkollisionen. Die Mindestenergie für die Erzeugung eines Schwarzen Lochs ist zunächst die Planck-Energie - die man am LHC natürlich nicht erreichen kann. Hat die Welt jedoch mehr als die von uns wahrgenommenen drei Raumdimensionen, und sind die zusätzlichen Dimensionen auch noch groß genug, wie in einigen Versionen der String- oder M-Theorie vorhergesagt, dann würde die notwendige Energie sehr viel kleiner ausfallen und wäre evtl. am LHC erreichbar. D.h. ein Nachweis von Mini-Black-Holes wäre gleichbedeutend mit einem Nachweis von „großen Extradimensionen“.
Der Nachweis von Mini-Black-Holes würde über deren Zerfallsmechanismen funktionieren. Sie würden (analog zu der von Hawking vorhergesagten Strahlung) quasi „thermisch“ zerfallen, also in eine große Anzahl praktisch beliebiger Elementarteilchen.

Ich geb' mal eine Prognose ab:
- das Standardmodell wird im bekannten Bereich weiter bestätigt
- das Higgs-Teilchen wird (in einer seiner Varianten) gefunden
- das Quark-Gluon-Plasma wird weiter besser untersucht und verstanden
- Supersymmetrie wird entdeckt (irgenwas muss ja passieren, sonst wär's langweilig)
- Mini-Black-Holes gibt's nicht (weil's auch keine Extradimensionen gibt)

[Ray Light]

Danke, Tom! Das ist eine brauchbare und knappe Übersicht zu den anstehenden Experimenten am LHC.

Deiner Erwartungshaltung kann ich mich anschließen - Überraschungen wären natürlich interessanter...

Gruß,
Ray