Wippen auf dem mathematischen Spielplatz des Universums

Phänomenologiestudentin sucht nach verborgenen Symmetrien im Universum und nach einer besseren Symmetrie im täglichen Leben

Christiane Scherb (Bild: Privat)

Lange bevor ein Experiment an einem Teilchenbeschleuniger wie dem Large Hadron Collider (LHC) beginnt, müssen die Wissenschaftler*innen wissen, wonach genau sie suchen müssen. Am Anfang der Überlegungen stehen in der Regel theoretische Physiker*innen, die den mathematischen Hintergrund für neue Experimente erarbeiten. Was die Theoretiker*innen an ihren Tafeln ausarbeiten, ist jedoch nicht die einzige Vorlage für neue experimentelle Arbeiten. Jemand muss genau definieren, wie die Signale aussehen, nach denen die Experimentierenden dann suchen. Diese wichtige Brückenfunktion übernimmt ein spezieller Bereich der Physik: die Phänomenologie.

Christiane Scherb ist eine solche Phänomenologin. Die Doktorandin an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz interessiert sich vor allem für ein Thema, das die Physik schon lange verwirrt: Neutrinos, ihre Massen und woher sie sie bekommen. Neutrinos sind Teilchen, die überall zu finden sind aber nur äußerst selten mit Materie wechselwirken. Sie werden durch nukleare Prozesse, wie beispielsweise Fusion in der Sonne, freigesetzt. Scherb studiert die Berechnungen der Theoretiker*innen und übersetzt die von ihnen gebauten Modelle in mögliche Szenarien, die sich in Teilchenphysikexperimenten nachweisen lassen.

Verschiedene Ansichten eines simulierten Events, bei dem ein langlebiges Higgs-ähnliches Teilchen in zwei Myonen (grüne Linien) zerfällt. Man sieht, dass die grünen Linien nicht wie die roten Linien und die Kegel an einem Punkt in der Mitte beginnen (der sogennante "interaction point"), sondern ein Stück voneinander entfernt starten. In den rechten Bildern, in denen alle übrigen Teilchen herausgenommen wurden, ist dies besser zu erkennen. (Ahmed Hammad, JGU Mainz)

„Wir befinden uns an der Schnittstelle zwischen Messungen – wo normalerweise alles beginnt, meist mit Diskrepanzen zu den theoretischen Vorhersagen darin – und der Theorie, die versucht, diese Diskrepanzen zu erklären“, sagt Scherb. „Wir führen neue Teilchen oder neue Symmetrien ein und sehen, ob sie innerhalb eines Modells funktionieren. Und wir prüfen, wie unser Modell möglich ist und wie man danach suchen könnte – welche Massen erlaubt sind, wie die neuen Teilchen zerfallen würde und so weiter“.

Scherb ist besonders an einem Konzept interessiert, das als Wippmechanismus bezeichnet wird und eine mögliche Erklärung dafür ist, warum Neutrinos so kleine Massen haben. Lange Zeit war unbekannt, ob die Geisterteilchen überhaupt eine Masse haben. Mit der Entdeckung der Neutrino-Oszillationen – der Fähigkeit der Neutrinos, sich in die drei verschiedenen Versionen (Elektron-, Myon-, Tauonneutrino) ihrer selbst zu verwandeln – wurde dieses Problem gelöst. Aber ihre Massen lassen sich nicht mit dem Standardmodell der Teilchenphysik erklären und sind so winzig, dass sie sich nur schwer mit dem 2012 bestätigten Brout-Englert-Higgs Mechanismus in Einklang bringen lassen, bei welchem das Higgs-Feld in Wechselwirkung mit der Materie zu Masse wird. Der Wippmechanismus geht davon aus, dass es andere, viel massivere Teilchen gibt, die mit Neutrinos Symmetrien bilden, wie ein Schwergewicht auf der einen Seite einer Wippe und eine Feder auf der anderen.

Da wo Christiane Scherb viele ihre Arbeit macht: am Whiteboard. (Bild: privat)

Diese massiveren Teilchen könnten selbst Higgs-ähnliche Teilchen sein. Als das Higgs-Teilchen 2012 entdeckt wurde, stellten sich viele Physiker*innen die Frage, warum das neugefundene Teilchen so schwer war. Die Existenz anderer Higgs-Teilchen, die ebenfalls solche enormen Massen aufweisen, würde ein Beweis für das Konzept sein, dass sie auch als Gegengewicht für die außergewöhnlich winzigen Massen der Neutrinos dienen – die Grundlage für die Version des Wippmechanismus, an der Scherb arbeitet. (Es gibt zwei weitere potenzielle Wippmechanismen, die ebenfalls in Erwägung gezogen werden). Die neuen Higgs-Teilchen wären dann langlebig und würden in einem Teilchenbeschleuniger-Experiment fern von ihrem Erzeugungsort zu weiteren Teilchen zerfallen, und somit einen Beweis für ihre eigene Existenz liefern.

„Aus dieser Perspektive ist Masse ein sehr interessanter Wert - sie wird viel mehr zu einem mathematischen Konzept“, sagt Scherb. „Man spielt mit verschiedenen Werten und Kopplungen für diese neuen Higgs-Teilchen, um zu sehen, wie sie mit Neutrinos wechselwirken.“

Der bevorstehende Ausbau des LHC und die geplanten zukünftigen Collider werden helfen, nach anderen Higgs-Teilchen zu suchen, die einen tieferen Einblick in die Funktionsweise des Brout-Englert-Higgs-Mechanismus geben könnten. Sogenannte „Higgs-Fabriken“ würden durchweg Higgs-Teilchen erzeugen, vielleicht auch solche neuen Higgs-Teilchenvarianten, die noch schwerer sind, als die, die wir schon kennen. Es wäre der erste experimentelle Beweis für den Wippmechanismus und würde Licht auf die neue Physik werfen.

„Wir können keinen Stein auf dem anderen lassen“, sagt die Wissenschaftlerin. „Wir müssen überall suchen, wo wir können.“

Viele Simulationen sagen den Experimentalphysiker*innen, wo sie suchen sollten. (Bild: privat)

Während Scherb an diesem Rätsel arbeitet, ist ihr auch bewusst, dass sie in der Lage ist, etwas in der Gesellschaft zu verändern. Als Frau in der theoretischen Physik, einem Bereich, in dem es sehr viele Männer gibt, weiß sie, wie schwierig der Weg sein kann. Durch die Bekanntgabe der Higgs-Entdeckung erhielt sie einen Anstoß zum Physikstudium und während ihres Bachelor-Studiums an der Universität Basel wurde sie zum Studium der theoretischen Physik inspiriert. Sie weiß aber auch, dass für viele andere junge Frauen, die ähnlich motiviert sind, der Weg nicht so einfach ist. In ihrer zukünftigen akademischen Laufbahn, so sagt sie, möchte sie die Wahrnehmung anderer Physikerinnen aufbauen.

„Die Gesellschaft sieht es immer noch nicht als ‚normal‘ an, dass Frauen in Berufe wie den meinen einsteigen“, sagt Scherb. „Zu viele Lehrkräfte an Schulen nehmen Mädchen und ihr Interesse an den Naturwissenschaften immer noch nicht ernst. Wir alle müssen unseren Teil dazu beitragen, die Öffentlichkeit stärker für dieses Thema zu begeistern“, so Scherb.