Was ist in der Physik Sequestrieren?
Im Kontext der Physik ist die Sequestrierung ein vorgeschlagenes Mittel, mit dem bestimmte Partikel und Kräfte auf zusätzliche Dimensionen beschränkt werden können, um ihre Wechselwirkung mit den Partikeln und Kräften des Standardmodells zu verhindern oder zu minimieren. Die für Stringtheorie, M-Theorie und Supersymmetrie (SUSY) besonders relevante Idee wurde von den theoretischen Physikern Lisa Randall und Raman Sundrum entwickelt. Das Sequestrieren kann einige Hauptprobleme in der Teilchenphysik lösen. Insbesondere bietet es eine Lösung für das sogenannte "Hierarchieproblem" durch Aufheben der Supersymmetrie, während ein weiteres Problem, das als "Geschmacksverletzung" bekannt ist, vermieden wird.
Die Physiker haben lange nach einer Grand Unified Theory (GUT) gesucht, die die vier Naturkräfte - die elektromagnetische Kraft, die starken und schwachen Kernkräfte und die Schwerkraft - vereint und die Eigenschaften aller Elementarteilchen erklärt. Das große Problem, mit dem sich eine solche Theorie befassen muss, ist die offensichtliche Inkompatibilität der allgemeinen Relativitätstheorie mit der Quantentheorie und dem Standardmodell. Die Stringtheorie, in der die grundlegendsten Einheiten der Materie wie Elektronen und Quarks als extrem winzige, eindimensionale, strangähnliche Einheiten betrachtet werden, ist ein Versuch einer solchen Theorie. Daraus wurde die M-Theorie entwickelt, bei der sich Strings zu zwei- und dreidimensionalen „Branes“ erweitern lassen, die in einem höherdimensionalen Raum schweben, der als „Bulk“ bezeichnet wird.
Zusätzlich zu den Problemen, die mit dem Einbeziehen der Schwerkraft in das Bild verbunden sind, gibt es ein Problem mit dem Standardmodell selbst, das als Hierarchieproblem bezeichnet wird. Vereinfacht ausgedrückt konzentriert sich das Hierarchieproblem darauf, warum die Gravitationskraft enorm schwächer ist als die anderen Naturkräfte, aber es beinhaltet auch vorhergesagte Werte für die Massen einiger hypothetischer krafttragender Teilchen, die sich enorm voneinander unterscheiden. Insbesondere für ein hypothetisches Teilchen, das Higgs-Teilchen, wird ein relativ geringes Gewicht vorhergesagt, während es durch Quantenbeiträge virtueller Teilchen zumindest ohne außerordentliche Feinabstimmung enorm massiver werden muss. Dies wird von den meisten Physikern als äußerst unwahrscheinlich angesehen, weshalb nach einem zugrunde liegenden Prinzip gesucht wird, um die Unterschiede zu erklären.
Die Theorie der Supersymmetrie (SUSY) liefert eine mögliche Erklärung. Dies besagt, dass es für jede Fermion - oder für jedes Materie bildende Teilchen - ein Boson - oder ein Kraft tragendes Teilchen - gibt und umgekehrt, so dass jedes Teilchen im Standardmodell einen übersymmetrischen Partner oder "Superpartner" hat Wird dies nicht beobachtet, bedeutet dies, dass die Symmetrie gebrochen ist und dass Supersymmetrie nur bei sehr hohen Energien existiert. Nach dieser Theorie wird das Hierarchieproblem dadurch gelöst, dass sich die Massenbeiträge der virtuellen Teilchen und ihrer Superpartner aufheben, wodurch die offensichtlichen Abweichungen im Standardmodell beseitigt werden. Es gibt jedoch ein Problem mit der Supersymmetrie.
Teilchen wie Quarks, die fundamentale Materie bilden, gibt es in drei Generationen oder „Aromen“ mit unterschiedlichen Massen. Wenn die Supersymmetrie aufgebrochen ist, kann anscheinend eine ganze Reihe von Wechselwirkungen auftreten, von denen einige den Geschmack dieser Partikel verändern würden. Da diese Wechselwirkungen nicht experimentell beobachtet werden, muss jede Theorie des Supersymmetriebrechens einen Mechanismus beinhalten, der sogenannte Geschmacksverstöße verhindert.
Hier setzt die Sequestrierung an. Um zum Konzept der dreidimensionalen Brane zurückzukehren, die in einem höherdimensionalen Volumen schwimmen, ist es möglich, die Supersymmetriebrechung in eine andere Brane zu sequestrieren, als die Teilchen und Kräfte des Standardmodells. Die Supersymmetriebrechungseffekte könnten durch krafttragende Partikel, die sich in der Masse bewegen können, auf die Brane des Standardmodells übertragen werden. Andernfalls verhalten sich die Partikel des Standardmodells genauso wie bei einer ungebrochenen Supersymmetrie. Partikel in der Masse, die sowohl mit der symmetriebrechenden als auch mit der Standardmodell-Membran interagieren könnten, würden bestimmen, welche Wechselwirkungen auftreten können, und könnten die geschmacksverändernden Wechselwirkungen ausschließen, die wir nicht beobachten. Die Theorie funktioniert gut, wenn das Graviton - das hypothetische Schwerkraft tragende Teilchen - diese Rolle spielt.
Im Gegensatz zu vielen anderen Ideen in Bezug auf die Stringtheorie und die M-Theorie scheint es möglich zu sein, die sequestrierte Supersymmetrie zu testen. Es werden Vorhersagen für die Massen der Superpartner der Bosonen - Kraft tragende Teilchen - getroffen, die innerhalb des mit dem Large Hadron Collider (LHC) erreichbaren Energiebereichs liegen. Wenn diese Partikel vom LHC beobachtet werden, können ihre Massen an die vorhergesagten Werte angepasst werden. Ab 2011 haben Experimente am LHC diese Superpartner jedoch nicht bei den Energien entdeckt, bei denen sie erwartet wurden. Dies scheint die einfachste Version von SUSY auszuschließen, wenn auch nicht einige komplexere Versionen. Auch wenn sich SUSY als falsch herausstellt, kann die Idee des Sequestrierens dennoch nützliche Anwendungen im Hinblick auf andere Probleme und Mysterien in der Physik haben.