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Auf den Spuren der Gravitationskraft

17 Teilchen, die die Welt erklären: Das Standardmodell der Physik beschreibt den Aufbau von Materie und die Grundkräfte, die zwischen den Materieteilchen wechselwirken. Die Kräfte werden von Austauschteilchen (Eichbosonen) übertragen: Photonen vermitteln die elektromagnetische, Gluonen die starke und W- sowie Z-Bosonen die schwache Wechselwirkung. Für die vierte fundamentale Wechselwirkung, die Gravitation, ist bisher kein Austauschboson nachgewiesen worden. Für dieses bis dato noch nicht nachgewiesene Teilchen haben Physiker den Begriff „Graviton“ geprägt.

Albert Einstein definierte die Gravitation in der Allgemeinen Relativitätstheorie als geometrische Eigenschaft der Raumzeit, die von Masse oder Energie gekrümmt wird. Seine Theorie beschreibt das Graviton als masseloses Teilchen mit der Spin-Zahl 2 – im Gegensatz zu den bekannten Eichbosonen, deren Spin 1 beträgt.

Massive Spin-2-Teilchen

Angnis Schmidt-May leitet die Gruppe "Gravitationstheorie: Massive Spin 2-Felder". Hier tauscht sie sich mit einem Doktoranden aus.
Angnis Schmidt-May leitet die Gruppe "Gravitationstheorie: Massive Spin 2-Felder". Hier tauscht sie sich mit einem Doktoranden aus. (Foto: B. Wankerl/MPP)

Die Mitglieder der Max-Planck-Forschungsgruppe „Gravitationstheorie: Massive Spin 2-Felder“ befassen sich mit erweiterten Gravitationstheorien. Im Mittelpunkt stehen dabei Teilchen mit Spin-Zahl 2, die im Unterschied zu Einsteins Theorie Masse besitzen. Ein massives Teilchen mit Spin 2 würde gewissermaßen eine Lücke füllen.

Denn im Standardmodell gibt es Theorien mit niedrigeren Spin-Zahlen sowohl in masseloser als auch in massiver Form. Die entsprechenden Teilchen konnten experimentell nachgewiesen werden. Beispiele für die Spin-Zahl 1 sind das masselose Photon beziehungsweise die massiven W- und Z-Bosonen.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten daran, das mathematische Fundament für eine Gravitationstheorie mit massiven Spin-2-Teilchen zu errichten. Sie untersuchen außerdem, wie sich ein solches Teilchen auf bestehende Modelle der Teilchenphysik und der Kosmologie auswirken könnte.

Der Geist in der Theorie

Im Detail beschäftigt sich die Gruppe mit der so genannten „ghost-free bimetric theory“. Diese beschreibt die Wechselwirkung eines massiven Teilchens mit dem masselosen Graviton, die jeweils die Spin-Zahl 2 tragen. Für diese Theorie zahlen die Physiker jedoch einen Preis: Denn wenn man die Gravitationstheorie um ein massives Teilchen erweitert, schafft man mit hoher Wahrscheinlichkeit eine unerwünschte Instabilität (Geist, engl. ghost).

Seit Jahrzehnten versuchen Physiker eine konsistente Theorie ohne diese Instabilität aufzustellen – lange Zeit ohne Erfolg. Und das, obwohl die Theoretiker Markus Fierz und Wolfgang Pauli bereits 1939 eine in sich schlüssige lineare Theorie für eine flache Raumzeit präsentiert hatten.

Neue Ansätze für Dunkle Energie und Dunkle Materie

Am Anfang einer jeden Theorie stehen Überlegungen, die in mathematische Berechnungen münden.
Am Anfang einer jeden Theorie stehen Überlegungen, die in mathematische Berechnungen münden. (Foto: B. Wankerl/MPP)

Allerdings gelang es in den darauf folgenden 70 Jahren nicht, die lineare Theorie auf ein nicht-lineares Szenario zu übertragen. Zudem gab es viele sehr überzeugende Argumente gegen diese Möglichkeit, so dass sie nach und nach in Vergessenheit geriet.

Vor einigen Jahren wendete sich das Blatt: Neue Berechnungen förderten die konsistente theoretische Beschreibung eines massiven Spin-2-Teilchens zutage und damit auch neue Gedankenmodelle – nicht nur für die Gravitationstheorie, sondern auch für die Phänomene der Astrophysik und der Kosmologie.

Zum Beispiel liefert die bimetrische Theorie Ansätze, um das Problem der Dunklen Energie als Ursache für die beschleunigte Ausdehnung des Universums zu lösen. Ein weiteres Problem der heutigen Physik ist die Dunkle Materie. Für die Existenz der mysteriösen, höchstens nur schwach wechselwirkenden Materie spricht eine Reihe von Beobachtungen. Bis heute weiß man jedoch nicht woraus sie besteht.

Die Gruppe am MPI für Physik schlägt ein massives Teilchen mit Spin 2 vor – und wird künftig untersuchen, welche Auswirkungen ein solches Teilchen auf phänomenologische Modelle hätte. Darüber hinaus arbeitet die Gruppe an einem neuen gedanklichen Überbau für Spin -2-Theorien. Ihre Studien konzentrieren sich dabei auf zusätzliche Symmetrien und geometrische Interpretationen der neuen Modelle.

Mehr Informationen zur Gruppe "Gravitationstheorie: Massive Spin-2-Felder"

Aktuelle Meldungen

09.11.2017

Das Max-Planck-Institut für Physik (MPP) verstärkt seine theoretische Abteilung: Unter der Leitung von Angnis Schmidt May befasst sich die Gruppe „Gravitationstheorie: Massive Spin 2-Felder“ mit der Gravitationskraft und ihrer theoretischen Beschreibung. Zudem unterrichtet die Wissenschaftlerin am...

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Schlüsselpublikationen

Heavy spin-2 Dark Matter
Eugeny Babichev, Luca Marzola, Martti Raidal, Angnis Schmidt-May, Federico Urban, Hardi Veermäe, Mikael von Strauss
JCAP 1609 (2016) no.09, 016
DOI: 10.1088/1475-7516/2016/09/016/meta
inspirehep.net/record/1475431

Recent developments in bimetric theory
Angnis Schmidt-May (Zurich, ETH) , Mikael von Strauss (Paris, Inst. Astrophys.)
J.Phys. A49 (2016) no.18, 183001
DOI: 10.1088/1751-8113/49/18/183001
https://inspirehep.net/record/1407461

Bimetric gravity is cosmologically viable
Yashar Akrami, S.F. Hassan, Frank Könnig, Angnis Schmidt-Ma, Adam R. Solomon
DOI: 10.1016/j.physletb.2015.06.06
inspirehep.net/record/1356228