Seit zwei Jahrzehnten widmet sich das Stefan-Meyer-Institut der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) der Erforschung fundamentaler Fragen der Teilchenphysik. Direktor Eberhard Widmann gibt Einblicke in die bisherigen Errungenschaften, zukünftige Pläne und die Jagd nach der fehlenden Antimaterie im Universum, die die Lücken im Standardmodell der Teilchenphysik schließen soll. 

Was passiert am Stefan-Meyer-Institut der ÖAW?

Eberhard Widmann: Wir beschäftigen uns mit dem Studium der fundamentalen Symmetrien und Wechselwirkungen der Materie und wollen das Standardmodell, das diese Grundlagen beschreibt, besser verstehen und erweitern.

Was stimmt nicht mit dem Standardmodell?

Widmann: Wir wissen, dass das Standardmodell die Bestandteile der normalen Materie gut beschreibt. Aber wir wissen auch, dass es unvollständig ist, weil es keine Aussagen zu Gravitation, Dunkler Materie oder Dunkler Energie macht. Am Teilchenbeschleuniger LHC in Genf suchen Kolleg:innen bei den höchsten Energien nach den fehlenden Zutaten, während wir am Institut hochpräzise Messungen bei niedrigeren Energien machen. 

Welche möglichen Erweiterungen interessieren die Kolleg:innen am Institut?

Widmann: Wir gehen zum Beispiel der Frage nach, warum wir im All keine Antimaterie sehen. Unsere bisherigen Messungen zeigen, dass sich Antimaterie bis auf die entgegengesetzte Ladung nicht von normaler Materie unterscheidet. Nur wenn wir die Struktur besser verstehen, indem wir genaue Messungen vornehmen, können wir etwas Neues lernen.

Warum gibt es keine Antimaterie im All?

Widmann: Alle Elementarteilchen haben einen Antimateriepartner mit entgegengesetzter Ladung. Laut dem Standardmodell hätten Antimaterie und Materie beim Urknall zu gleichen Teilen entstehen sollen. Die einzige Antimaterie, die wir heute in der Natur nachweisen können, entsteht, wenn hochenergetische Teilchen aus dem All auf die Erdatmosphäre treffen. Als Erklärung werden seit den 1960er-Jahren Verletzungen der grundlegenden Symmetrie gesucht, die nach unseren besten Theorien die Gleichrangigkeit von Materie und Antimaterie bedingen. Die bisher vorgeschlagenen Symmetrieverletzungen sind aber nicht stark genug, um das enorme Übergewicht von Materie im Universum zu erklären, deshalb suchen wir weiter nach Abweichungen.

Wie Schwerkraft auf Antimaterie wirkt

Wie geht man das an?

Widmann: Wir vermessen zum Beispiel mit hoher Präzision Antiwasserstoff, um zu sehen, ob es nicht doch winzige Unterschiede zum normalen Wasserstoff gibt. Bis vor kurzem gab es zum Beispiel die Theorie, dass Materie und Antimaterie sich gravitativ abstoßen. Das konnte vor einem Jahr durch die Messung eines Antiwasserstoff-Atoms im Schwerefeld der Erde widerlegt werden. Die Schwerkraft wirkt auf Antimaterie im Rahmen der Messgenauigeit genau wie auf Materie anziehend.

Die hochpräzisen Messungen, die wir in der Teilchenphysik machen, brauchen viel Zeit, 20 Jahre sind in der Teilchenphysik nicht sehr viel Zeit.

Was passiert, wenn man einen Unterschied zwischen Antimaterie und Materie findet?

Widmann: Das wäre eine Verletzung der fundamentalen CPT-Symmetrie, die besagt, dass eine Umkehr von zeitlichem Ablauf, Ladung oder einer Raumspiegelung für unsere Gleichungen nichts grundlegend verändert. Dann müssten wir das Standardmodell erweitern, aus heutiger Sicht am ehesten durch Stringtheorie oder andere Quantengravitationskonzepte. Für derartige Erweiterungen kennen wir bis heute aber keinen experimentellen Nachweis.

Wäre das dann eine Theorie von Allem?

Widmann: Wir würden die Gravitation mit den Kräften zusammenbringen und hätten ein Modell aller Wechselwirkungen. Aber die Dunkle Materie und Dunkle Energie, nach der unsere Kolleg:innen aus der Hochenergiephysik suchen, blieben trotzdem außen vor.

Wo hat das Standardmodell sonst noch Lücken?

Widmann: Wir beschäftigen uns auch mit der starken Wechselwirkung, die die Quarks und Gluonen in Protonen und Neutronen zusammenhält. Wir können mit Schwerionenstößen im Labor ein sogenanntes Quark-Gluon-Plasma herstellen, in dem die Quarks wie kurz nach dem Urknall in einer Art stark wechselwirkender Flüssigkeit vorliegen. Dann messen wir zum Beispiel die Viskosität, um mehr über die starke Wechselwirkung zu lernen. Die Berechnungen der starken Wechselwirkung sind gerade bei hohen Dichten sehr komplex und liefern keine exakten Ergebnisse. Wenn wir das Verhalten durch Experimente über das komplette Druck-Temperatur-Diagramm besser analysieren, können wir das Verhalten der stark wechselwirkenden Teilchen besser verstehen.

Hat das Einfluss auf unser Verständnis des Universums?

Widmann: Die starke Wechselwirkung bestimmt zum Beispiel die Verhältnisse in einem Neutronenstern. Die Rechnungen schließen nicht aus, dass dort exotische Teilchen entstehen, die Strange Quarks enthalten. Ein Neutron besteht normalerweise aus einem Up und zwei Down Quarks, wenn ein Up, ein Down und ein Strange Quark vorliegen, sprechen wir von Hyperonen. Wenn sich das bestätigt, hätte das Auswirkung auf unsere Theorien von der Entstehung von Neutronensternen.

Was sich in 20 Jahren getan hat

Wie wichtig ist die Entwicklung der Rechenleistung für die Experimente am Institut?

Widmann: Da hat sich in den vergangenen 20 Jahren viel getan. Unsere Methoden werden parallel auch immer besser. Dadurch konnte beispielsweise die Diskrepanz zwischen den Vorhersagen des Standardmodells und den Messungen des magnetischen Moments des Myons aufgelöst werden. Eine Zeit lang sah es so aus, als gäbe es hier neue Physik zu entdecken, aber durch bessere Berechnungen ist die Abweichung nach und nach kleiner geworden.

Wie hat sich in den vergangenen 20 Jahren sonst verändert?

Widmann: Die hochpräzisen Messungen, die wir in der Teilchenphysik machen, brauchen viel Zeit, 20 Jahre sind in der Teilchenphysik nicht sehr viel Zeit. Unser Experiment mit Antiwasserstoff wurde 2005 vorgeschlagen und wir sehen jetzt die ersten Ergebnisse. Das Bauen und Entwickeln der Experimente sind enorm aufwändig. Die Teilchenbeschleuniger sind natürlich auch besser geworden. Wir sind ja auch abhängig vom CERN, wo zum Beispiel unser Antiwasserstoff erzeugt und vermessen wird.

Welche Experimente können in Wien durchgeführt werden?

Widmann: Wir haben natürlich keinen so großen Teilchenbeschleuniger wie den LHC um Antiwasserstoff zu erzeugen, aber wir können normalen Wasserstoff und Deuterium nutzen, um nach Symmetrieverletzungen zu suchen. Auch hier muss die Genauigkeit der Messungen enorm hoch sein, damit wir Abweichungen von den Parametern des theoretischen Modells entdecken können.

Was wünschen Sie sich für die nächsten 20 Jahre?

Widmann: Ein Ziel ist sicher, mit kaltem Wasserstoff zu arbeiten. In unseren Beschleunigern sehen wir nur hohe Temperaturen und Energien, aber wenn wir langsamen Wasserstoff untersuchen können, wären die Messergebnisse mit unseren Spektroskopen viel genauer. Dafür müssen wir aber sehr tiefe Temperaturen erreichen, im Bereich von wenigen Nanokelvin. Heute haben unsere Teilchen eine Geschwindigkeit von rund 1000 Meter pro Sekunde. Das wollen wir um vier bis fünf Größenordnungen reduzieren. Dann können wir viel genauer messen und vielleicht Hinweise auf eine Symmetrieverletzung finden. Langfristig können wir diese Methode auch auf Antiwasserstoff anwenden.