Astro-Lexikon M 6

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Die M-Theorie bezeichnet die Mutter (engl. mother; alternativ: membrane, mystery, magic) aller Theorien und die elfdimensionale, vereinigte Theorie der fünf Stringtheorien und der Supergravitation. Der Physiker Edward Witten hat diesen Begriff geprägt und konnte zeigen, dass alle bis dato existenten, als verschiedenen angesehenen Stringtheorien Ausfluss ein und derselben, übergeordneten Theorie sind: der M-Theorie.

Dualitäten

Die Verbindung zwischen den sechs einzelnen Theorien bilden mathematische Relationen, die so genannten Dualitäten.

M-Branen

Die mathematischen Objekte der M-Theorie sind die M-Branen, Strings und p-Branen (mit Dimension p). Gegenstand der M-Theorie bzw. Stringtheorien ist die Definition, Quantisierung und Wechselwirkung solcher Objekte. Dabei wird die Fragestellung verfolgt, wie sie zu interpretieren sind, beispielsweise mit welchen Teilchen oder physikalischen Objekten (z.B. auch Schwarzen Löchern) sie assoziiert sind.

Zutat: nicht Uschi, sondern Susy

Es stellte sich heraus, dass die M-Theorie zur Vermeidung von akausalen Tachyonen (mit imaginärer Masse) notwendigerweise supersymmetrisch sein muss. Diese Eigenschaft erhöht die Anzahl möglicher bosonischer und fermionischer Teilchenkandidaten enorm! Supersymmetrie resultiert in einem riesigen Teilchenzoo.

Durchbruch oder Holzweg?

Die M-Theorie ist noch weit von einer konsistenten Theorie und vollständigen, mathematischen Beschreibung entfernt, die darüber hinaus praktikabel und verständlich ist. Anschaulich gesprochen, sind die Stringtheorien nur wenige Fragmente eines großen Puzzles, das in seiner Gesamtheit die mutmaßliche M-Theorie darstellt. Sowohl Stringtheorien und M-Theorie sind Gegenstand der aktuellen Forschung. Inwieweit diese Theorien tatsächlich die Natur adäquat beschreiben, muss noch gezeigt werden. Eine Hoffnung verbinden die Stringtheoretiker mit der M-Theorie: Ähnlich wie Relativitätstheorie und Quantentheorie die Physikalischen Revolutionen des 20. Jahrhunderts waren, so sollte die M-Theorie diejenige des 21. Jahrhunderts werden.

andere Konzepte

Neben diesem Kandidaten einer übergeordneten Theorie ist die Loop-Quantengravitation (LQG) getreten. Sie versucht mit den Prinzipien und Methoden der Allgemeinen Relativitätstheorie und Quantenmechanik die Konzepte einer robusten Quantengravitation zu definieren. Nimmt man das Unifikationsbestreben von Theorien als Kriterium, so will die LQG weniger (eine 'quantisierte Gravitation'), während die Stringtheorien bzw. die M-Theorie alle fundamentalen Wechselwirkungen in der Natur zu vereinigen sucht.

WANTED: experimenteller Input

Wesentliche Impulse von experimenteller Seite erhoffen sich die Physiker von modernen Teilchenbeschleunigern der nächsten Generation (2008: LHC am CERN) sowie kosmologischen Beobachtungsdaten. Diese Daten legen generell den Theorien Beschränkungen auf, die in eine Bewährung, Modifikation oder Falsifikation einer Theorie münden können.

Myonen gehören zur großen Teilchengruppe der Leptonen und sind schwerer als ihre 'nächsten Verwandten': die Elektronen. Die Ruhemasse von Myonen (negative Ladung) und Antimyon (positive Ladung) beträgt jeweils 105.658357 MeV (Quelle: Particle Physics Booklet, Juli 2002).

Myonen fallen vom Himmel

Myonen (eingedeutscht auch als Müonen zu lesen) können in der Höhenstrahlung (siehe kosmische Strahlung) entstehen. Der Prozess läuft so ab, dass hochenergetische Gammastrahlung Elektron-Positron-Paare erzeugt. Die beiden Zerfallsteilchen fliegen diametral (Impulserhaltung) auseinander und können direkt nach der Entstehung auch wieder annihilieren (siehe auch Antimaterie). Auf diese Weise entstehen Kaskaden von Teilchenschauern in der Hochatmosphäre. Es ist aber auch möglich, dass sich über einen schwachen Prozess (siehe schwache Wechselwirkung) das entstandene Elektron-Positron-Paar in ein Myon-Antimyon-Paar umwandelt. Diese Teilchen zerfallen dann üblicherweise auch wieder in verschiedenen Zerfallskanälen.

Bedeutung für Neutrinoastronomie

Myonen haben eine hohe Relevanz in der Neutrinoastronomie, weil sie durch kosmische Neutrinos in Cerenkov-Detektoren gebildet werden. Das Detektionsprinzip der Neutrinodetektoren der neusten Generation, wie AMANDA und bald ICECUBE am Südpol, basiert gerade darauf, dass paradoxerweise durch die Erde beobachtet wird. Dies liegt daran, weil hochenergetische Neutrinos kosmischer Quellen Myonen in der Erdmaterie erzeugen können. Schaffen diese Myonen es, in das Detektorvolumen zu gelangen, erzeugen sie dort einen Cerenkov-Lichtkegel und können eindeutig einer extraterrestrischen Quelle zugeordnet werden. Der Richtungsversatz zwischen Neutrino und daraus gebildetem Myon ist minimal und beträgt maximal ein Grad. Die Myonen der Höhenstrahlung hingegen - die tatsächlich 'von oben' kommen - sind in der Neutrinoastronomie nur ein Störeffekt (Untergrundrauschen).

Wie kommt ihr eigentlich hierher?

Die atmosphärischen Myonen sollten aufgrund ihrer kurzen, mittleren Lebensdauer von 2.197 Mikrosekunden am Erdboden gar nicht nachweisbar sein. Dies ist trotzdem gelungen! Man erklärt dies mit der Speziellen Relativitätstheorie: da sich die Myonen mit Geschwindigkeiten bewegen, die vergleichbar sind mit der Lichtgeschwindigkeit, werden relativistische Effekte wirksam. Die Zeitdilatation dehnt die Zerfallszeit im Ruhesystem gegenüber der Zeitspanne im Beobachtersystem aus. Dadurch können die Myonen einen längeren Weg durch die Atmosphäre zurücklegen als klassisch abgeleitet: sie schaffen es bis auf den Erdboden!

Das Myon-Atom

Mit Myonen kann man eine exotische Form von Materie kreieren: Myon-Atome, in denen schwere Myonen anstatt Elektronen den Kern 'umkreisen'. Die Myon-Chemie wäre allerdings ein recht teueres Unternehmen.

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© Andreas Müller, August 2007

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