Die Erde als Unteilchen-Detektor

Auf der Suche nach Teilchen, die es vielleicht gar nicht gibt, setzen Physiker den Erdball als Teil ihrer Messapparatur ein

Spätestens seit der Einführung der Relativitätstheorie ist klar, dass die Masse keine unveränderliche Größe ist. Wie schwer ein gewöhnliches Teilchen ist, hängt von seiner Geschwindigkeit ab, also seiner Energie. Dass Photonen sich beliebig viel Energie anfressen können, liegt daran, dass sie keine Ruhemasse besitzen - sie verletzen also diese Regel definitionsgemäß auch nicht. Allgemeiner gesagt verhält sich die uns bekannte Materie so, dass sich ihre Eigenschaften mit dem Maßstab des Systems ändern. Das gilt nicht nur für die Masse, sondern ebenso für andere physikalische Größen - das ist auch die Grundlage des Standardmodells der Physik.

Nun genügt dieses Modell den Physikern schon seit einiger Zeit nicht mehr, weil es an manchen Ecken, in sehr kleinen und sehr großen Maßstäben nämlich, zu klemmen scheint. Deshalb versucht die Forschergemeinde, das Standardmodell auf verschiedenen Wegen zu erweitern. 2007 schlug der Physiker Howard Georgi von der Harvard University vor, dazu zusätzliche Komponenten einzuführen, die den Einschränkungen gewöhnlicher Materie nicht genügen.

Sie wären "skaleninvariant", man könnte ihre "grundlegenden Messgrößen maßstabsgerecht vergrößern oder verkleinern, ohne dabei ihre wichtigsten Eigenschaften zu verändern", wie es Bild der Wissenschaft 2008 formulierte. Georgi nannte diese Objekte "Unparticles" (Unteilchen).

Sie mathematisch herzuleiten, ist kein Problem – aber das heißt natürlich noch lange nicht, dass es sie wirklich gibt. Da es sich zwar um ungewöhnliche, aber eben doch um Teilchen handelt, ist der Begriff zwar eher unpassend (das Magazin Discover kürte ihn denn auch zum dümmsten Fachwort des Monats), doch trotzdem hat er sich durchgesetzt. Unparticles könnten zum Beispiel Probleme der Astronomen lösen, die auf der Suche nach der fehlenden Masse des Universums schon länger nach Dunkler Masse und Dunkler Energie fahnden. Da die Unteilchen eine Masse besitzen, könnte die von ihnen ausgelöste "Ungravitation" (noch so ein Unwort) vielleicht die Lücke füllen.

Viel mehr als die Hoffnung, dereinst am LHC-Beschleuniger Spuren (in Form von bei bestimmten Vorgängen fehlender Energie) davon zu finden, hat die Forschergemeinde allerdings bisher nicht. Leichte Hinweise darauf hat immerhin schon der Tevatron-Beschleuniger vor zwei Jahren geliefert. Was die Suche nach den Unparticles zusätzlich erschwert, ist die Tatsache, dass man auch über ihre Funktion bisher nur Vermutungen anstellen kann.

Nachweise

Vielleicht dienen sie ja als Austauschteilchen - ähnlich wie die Photonen in einem elektromagnetischen Feld Kräfte vermitteln, könnten sie für die Wechselwirkung von zwei Spins untereinander zuständig sein. Dass Spins anders als über ein elektromagnetisches Feld miteinander wechselwirken, gehört ebenfalls zu einer der vorgeschlagenen (und bisher nicht bewiesenen) Erweiterungen des Standardmodells der Physik.

Ein US-Forscherteam hat sich diese mögliche Funktion genauer angesehen, und zwar mit einem Trick: Die gesuchte Wechselwirkung unterscheidet sich von der elektromagnetischen damit, dass ihr Potenzial nicht exponentiell mit der Entfernung abnimmt. Sie lässt sich deshalb optimal auf größere Entfernungen untersuchen, als man sie im Labor herstellen könnte. Als Gegenstelle wählten die Physiker deshalb in ihrer Science-Veröffentlichung die Spins von Elektronen im Erdinneren. Diese haben zudem den Vorteil schierer Masse: Von etwa 10⁴⁹Elektronen, die dort nachweislich vorhanden sind, müssten 10⁴² in der nötigen Form polarisiert sein. Im Labor erreicht man da nur Werte, die um 17 Größenordnungen darunter liegen.

Die größere Entfernung würde bei elektromagnetischen Wechselwirkungen zwar die messbaren Kräfte um 21 Größenordnungen reduzieren - bei den untypischen Potenzialen der Unteilchen jedoch sinkt die Interaktion nur um sieben bis 14 Größenordnungen. Insgesamt also ein deutlicher Fortschritt - und trotzdem gelang es den Forschern nur, die Nachweisgrenze um einen Faktor von einer Million zu senken. Zwei Elektronen, die ein paar Tausend Kilometer voneinander entfernt sind, beeinflussen sich demnach über die Unparticles mit höchstens einem Fünfhundertstel der Kraft, mit der sie sich über ihre Gravitation gegenseitig anziehen.