Higgs, wo seid ihr?

Elementarteilchen Bald ist die Reparatur des größten Experiments der Menschheit abgeschlossen ­– zur Freude der Philosophen. Aber wofür braucht man eigentlich einen Teilchenbeschleuniger?

Was so ein kleiner Klebefehler alles auslösen kann! Als der neueste Großbeschleuniger am europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf, der Large Hadron Collider (LHC), nach einigen Tagen erfolgreichen Probelaufs letzten Herbst wieder abgeschaltet werden musste, setzten erneut Debatten ein, warum man denn in Zeiten globaler Krise so hohe Summen aufwenden müsse. Nur, um die letzte verbliebene Lücke des Standardmodells der Elementarteilchenphysik zu schließen und das Higgs-Teilchen zu finden? In den 1990er Jahren hatte die US-Regierung das vergleichbare Projekt des Superconducting Super Collider in letzter Minute gestoppt. Nicht zuletzt, weil man meinte, auf anderen Gebieten wie der Festkörperphysik mit geringeren Mitteln weitaus mehr und technologisch vielversprechende Entdeckungen machen zu können.

Die Argumente der LHC-Befürworter sind zahlreich. Sie reichen vom technologischen Spin-off – so war das World Wide Web ein Produkt der Notwendigkeit, die am CERN gewonnenen Unmengen an Messdaten dezentral und weltweit auszuwerten – über die unser physikalisches Weltbild prägende Suche nach den grundlegendsten Naturgesetzen, bis hin zu Steven Weinbergs philosophischem Traum von der endgültigen Theorie. Solche Argumente – die guten wie die reißerischen – setzen natürlich nicht nur voraus, dass es erstrebenswert ist, zu erfahren, was die Welt im Innersten zusammenhält, sondern auch, dass es just die Physiker sind, die uns die Antwort darauf geben können.

Philosophie im Beschleuniger

Die Antwort der Physiker besteht darin, die fundamentalen Teilchen und ihre Wechselwirkungen, die auch wiederum durch spezielle Teilchen vermittelt werden, zu suchen. Dass in diesem Bild jenes spezielle, noch nicht gefundene Teilchen, das den anderen überhaupt erst Masse verleiht, zentrale Bedeutung besitzt, liegt auf der Hand. Aber stimmt dieses Bild? Genau hierzu wird der LHC einen fundamentalen Beitrag liefern. Und daher auch auf unser philosophisches Verständnis der Wissenschaft Auswirkungen haben. Denn dieses ist genau von jenem physikalischen Programm nachhaltig geprägt worden, an dessen Ende der LHC unter Umständen stehen wird.

Das physikalische Bild der Materie beruht auf einem elaborierten Formalismus, der in der Alltagswelt nicht veranschaulicht werden kann. So entsprechen die Elementarteilchen Grenzzuständen von Quantenfeldern, die erst mathematisch bearbeitet werden müssen, um zu prüfbaren Vorhersagen zu kommen. Und in jener mathematischen Sprache, die der Elementarteilchenphysik erst zu ihrem beeindruckenden Siegeszug verholfen hat, der Gruppentheorie, sind Teilchen schlicht Darstellungen abstrakter Symmetrien, der sogenannten Eichsymmetrien.

Eichungen und Symmetrien kennen wir aus dem täglichen Leben. Waagen und Zapfsäulen werden geeicht, damit sie alle dieselben Massen und Volumina anzeigen. Dies ist eine Vorbedingung, die entsprechenden Größen als „real“ zu akzeptieren. Und auch in der Physik haben wir uns daran gewöhnt, nur solche Beobachtungsgrößen zu akzeptieren, die vom Koordinatensystem unabhängig, invariant sind. Es ist eines der überraschenden Charakteristika der modernen Physik, von der Einsteinschen Relativitätstheorie angefangen, dass derartige Invarianzen geeignet formuliert zur Bestimmung der physikalischen Charakteristika eines Systems hinreichen oder zumindest einen wesentlichen Beitrag dazu liefern. Oft spricht man statt von Invarianzen von Symmetrien; denn was zum Beispiel unter einer Spiegelung invariant ist, das ist auch spiegelsymmetrisch.

Im Standardmodell der Elementarteilchenphysik ist es Anfang der 1970er Jahre gelungen, aus der Kombination dreier sehr spezieller Symmetriegruppen – die den fundamentalen Wechselwirkungen entsprechen – ein Tableau aller Elementarteilchen herzuleiten: den Quarks, den Leptonen und denjenigen Teilchen, die diese Kräfte vermittelten, den sogenannten Eichbosonen. Das Tableau war aufgebaut wie ein Setzkasten, in dem es zu jener Zeit noch Lücken gab für Teilchen, deren Eigenschaften man aber schon relativ präzise vorhersagen konnte. Zum Auffinden dieser Teilchen haben die Vorgängerexperimente des LHC wesentlich beigetragen und so das Standardmodell zu einer der erfolgreichsten Theorien der Physik gemacht.

Wenn Symmetrien brechen

Das noch nicht gefundene Higgs-Teilchen involviert nun eine besondere Facette der Symmetrie, nämlich die spontane Brechung einer Eichsymmetrie. Damit ist gemeint, dass diese Eichsymmetrie auf der Ebene der Gesetze vorhanden ist, jedoch nicht in die physikalischen Zustände des von diesen Gesetzen beherrschten Systems implementiert werden kann. Erst durch einen theoretischen Kunstgriff, den Higgs-Mechanismus, gelingt das, wobei allerdings die Existenz des Higgs-Teilchens vorausgesetzt werden muss, das man nun am LHC sucht. Auch für dieses Teilchen kann man recht präzise Erwartungen über seine Eigenschaften formulieren, so dass es mit dem LHC gefunden werden müsste – wenn es denn existiert. Aber hier scheinen in letzter Zeit einige Physiker Bedenken zu haben.

Die spontane Symmetriebrechung ist dabei nicht das Problem. Ähnliche Prozesse gibt es auch in anderen Disziplinen, und man kann sich dieses Phänomen auch als eine Art Phasenübergang vorstellen, bei dem eine globale Ordnungsveränderung eintritt, wie etwa dann, wenn Wasser gefriert und so aus einer amorphen Flüssigkeit ein gerichteter Eiskristall entsteht.

Befremdlicher ist eher die Tatsache, dass es eigentlich keine überzeugende theoretische Begründung gibt, warum nur ein Higgs-Teilchen existiert. Dies ist zwar die einfachste Lösung; aber Einfachheit ist ein philosophisch-ästhetisches Kriterium. Das Higgs-Teilchen reiht sich daher nicht so überzeugend in den Setzkasten ein wie das 1995 gefundene Top-Quark. Die Unzufriedenheit, dass der minimale Higgs-Mechanismus ad hoc oder wenig natürlich erscheint, ist in Ermangelung besserer Alternativen jedoch nicht zwingend.

Die Wurzel aller Zweifel ist eher eine philosophische, nämlich ob jener Reduktionismus, der lange das selbstverständliche Fundament der Teilchenphysik war, noch weiterhin trägt. Nachdem es gelungen war, chemische Prozesse durch die Physik der Atomhülle kausal zu erklären, konnten viele Prozesse im Atomkern und in dessen Bestandteilen aus jeweils kleineren Teilchen und ihren Wechselwirkungen erklärt werden. Auch wenn in all diesen Fällen spezifische Eigenschaften der zu erklärenden Prozesse nur selten vollständig abgeleitet werden konnten, so schien doch eine erfolgreiche Erklärung im Wesentlichen in der Reduktion auf fundamentalere Prozesse zu bestehen.

Es überrascht daher nicht, dass manche das Unbehagen am Higgs-Mechanismus auf eine noch umfassendere Theorie verschieben, die Stringtheorie, durch die man sich die spontane Symmetriebrechung als einen realen physikalischen Prozess erklären könnte. Doch gibt die Stringtheorie der historischen Entwicklung der Elementarteilchenphysik eine ironische Wendung. Nicht nur, dass es eine Unzahl empirisch ununterscheidbarer, aber in ihrem Realgehalt stark divergierender Stringtheorien gibt. Sondern die Domäne der Stringtheorie liegt viele Größenordnungen über derjenigen, die jemals in Beschleunigern überprüft werden kann. Und zwischen ihr und dem Standardmodell liegt eine weite Wüste ohne jegliche neue Physik.

Eine neue Physik?

Aber es gibt gute Gründe für die Hoffnung, dass bereits der LHC mit abgesicherten empirischen Befunden eine Entscheidung über das physikalische Forschungsprogramm und den ihn begleitenden philosophischen Reduktionismus erwirken kann. Denn das Standardmodell und seine verschiedenen Erweiterungen erlauben eigentlich nur drei Ausgänge des LHC-Experiments: Erstens, der LHC findet ein minimales Higgs-Teilchen und sonst gar nichts. Zweitens, der LHC findet Higgs-Teilchen oder/und gänzlich andere Teilchen-Signaturen. Oder, drittens, der LHC findet gar nichts.

Im ersten Fall wäre das Standardmodell physikalisch abgeschlossen; die philosophischen Zweifel am ad-hoc-Charakter des Higgs-Mechanismus hätten sich damit erledigt. Zwar wäre eine neue Physik jenseits der durch den LHC erreichbaren Energien und eine vereinheitlichende Theorie nicht unmöglich, und die unverstandene Quantisierung der Gravitation sowie die Probleme der Dunklen Materie und der Dunklen Energie legen dies sogar nahe. Aber wir hätten keine andere Wahl, als uns ernsthaft mit den Konsequenzen des Standardmodells für unser philosophisches Weltbild auseinander zu setzen. Wir könnten der Frage nicht mehr ausweichen, wie wir es ontologisch mit den Eichtheorien halten. Wenn unter den fundamentalen Strukturen des Standardmodells gebrochene Symmetrien sind, die keinen aktiven Transformationen entsprechen, ist das jedenfalls philosophisch eine ziemliche Her­ausforderung. Wir müssten, nachdem unsere intuitive Vorstellung von Raum und Zeit schon durch Einstein gestürzt wurde, auch unsere intuitiven Vorstellungen von „Substanz“ verändern, insofern Teilchen nicht mehr aus kleineren Teilchen bestehen, sondern wesentlich abstraktere Geschöpfe darstellen.

Fall Nummer zwei brächte uns definitiv eine neue Physik. Diese wäre vielleicht schon theoretisch erwogen worden, etwa wenn man eine weitere Symmetrie zwischen den Elementarteilchen, die sogenannte Supersymmetrie, fände. Das Programm, die Elementarteilchen in Symmetriegruppen einzuordnen, träte in eine neue Phase, die wahrscheinlich mit dem LHC nicht abgeschlossen wäre. Sollte sich nicht eine Verbindung zu den kosmologischen Problemen der Dunklen Materie und der Dunklen Energie ergeben, bliebe philosophisch zunächst alles beim alten, auch wenn physikalisch massive Umbauten am Standardmodell anstünden.

Der dritte Fall, schlicht nichts zu finden, wäre das spektakulärste Resultat des LHC, keinesfalls sein Scheitern. Denn der Higgs-Mechanismus oder ein verwandter Massenerzeugungsmechanismus sind für das Standardmodell essentiell. Ohne sie gibt es in Eichtheorien keine massiven Teilchen. Das gesamte Weltbild der Teilchenphysik und das Programm der Eichtheorien stünden trotz aller bisherigen Erfolge zur Disposition. Mancher würde auf die Konkurrenten des Standardmodells aus den 1970er Jahren zurückblicken, die allerdings experimentelle Evidenz gegen sich zu haben schienen. Andere werden Hoffnungen auf die großen Vereinheitlichungen wie die Stringtheorie richten. Auch der philosophische Reduktionismus wäre zu überdenken.
Fall drei könnte allerdings auch zu einer anderen philosophischen Überlegung Anlass geben, die in gewisser Weise Fall zwei im Spiel hält. Sind der LHC und seine Detektoren überhaupt aussagekräftig für eine „neue“ Physik oder deren Nichtexistenz? Eine der Grundbedingungen der experimentellen Hochenergiephysik ist, dass die gesuchten Ereignisse extrem selten sind und unter Billionen uninteressanter Ereig­nisse herausgefiltert werden müssen. Auf­grund der großen Datenmenge am LHC kann dies gar nicht mittels Datenverarbeitung geschehen, sondern man muss die Detektoren bereits so bauen und verschalten, dass nur jedes millionste Ereignis überhaupt aufgezeichnet wird. Die Beobachtung ist daher hochgradig theoriegeladen. Die Messergebnisse des LHC beruhen mithin auf den Daten aller seiner Vorgänger.

Ein philosophisches Standardargument lautet nun, dass unser Wissen nur so gut ist wie die vorausgesetzte Rahmentheorie. Daraus folgt, dass im Fall drei das seit den sieb­ziger Jahren so erfolgreiche Programm der Elementarteilchenphysik auf jeden Fall zu einer methodisch-philosophischen Selbst­reflektion gezwungen wäre, die mit einer Neudurchsicht aller experimentellen Evidenzen einherginge.

Michael Stöltzner ist Professor für Wissenschaftsphilosophie an der University of South Carolina und Mitglied der an der Universität Wuppertal angesiedelten interdisziplinären DFG-Arbeitsgruppe Epistemologie des LHC

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05:00 23.07.2009

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