In der Physik geht es darum, die grundlegendsten Geheimnisse der Natur zu erforschen. Es ist also keine Überraschung, dass Physiker einige sehr grundlegende Fragen über das Universum auf dem Herzen haben. Kürzlich hat das Symmetry Magazine (herausgegeben von zwei von der US-Regierung finanzierten Physiklabors) eine Gruppe von Teilchenphysikern gebeten, die offenen Fragen in der Physik zu nennen, auf die sie am liebsten Antworten hätten. Hier eine Auswahl der Antworten:

„Was wird das Schicksal unseres Universums sein?“

Der Dichter Robert Frost stellte die berühmte Frage, ob die Welt in Feuer oder Eis enden wird, und die Physiker können diese Frage immer noch nicht beantworten. Die Zukunft des Universums – eine Frage, die Steve Wimpenny von der University of California, Riverside, gestellt hat – hängt weitgehend von der dunklen Energie ab, die zu diesem Zeitpunkt noch unbekannt ist. Die dunkle Energie ist für die beschleunigte Ausdehnung des Universums verantwortlich, aber ihre Ursprünge sind völlig rätselhaft. Wenn die dunkle Energie im Laufe der Zeit konstant bleibt, werden wir in der Zukunft wahrscheinlich ein „großes Einfrieren“ erleben, bei dem sich das Universum immer schneller ausdehnt und die Galaxien schließlich so weit voneinander entfernt sind, dass der Raum wie eine riesige Einöde erscheint. Wenn die dunkle Energie zunimmt, könnte diese Ausdehnung sogar noch stärker ausfallen, so dass sich nicht nur der Raum zwischen den Galaxien, sondern auch der Raum innerhalb der Galaxien ausdehnt und die Galaxien selbst auseinandergerissen werden – ein Schicksal, das als „großer Riss“ bezeichnet wird. Eine andere Möglichkeit ist, dass die dunkle Energie abnimmt, so dass sie der nach innen ziehenden Schwerkraft nicht mehr entgegenwirken kann, wodurch das Universum in einem „Big Crunch“ in sich zusammenfällt. Wie auch immer es ausgeht, wir sind dem Untergang geweiht. Das Gute daran ist, dass keine dieser Eventualitäten in den nächsten Milliarden oder Billionen von Jahren eintreten wird – genug Zeit, um zu entscheiden, ob wir auf Feuer oder Eis hoffen.

„Das Higgs-Boson ergibt absolut keinen Sinn. Warum existiert es?“

Der Ton dieser Frage war ironisch gemeint, sagt der Fragesteller, Richard Ruiz von der Universität Pittsburgh, aber sie weist auf einen sehr realen Mangel an Verständnis für die Natur des Teilchens hin, das letztes Jahr am Large Hadron Collider (LHC) in Europa entdeckt wurde. Das Higgs-Boson hilft zu erklären, wie alle anderen Teilchen ihre Masse erhalten haben, wirft aber auch viele andere Fragen auf. Zum Beispiel, warum das Higgs-Boson mit jedem Teilchen anders wechselwirkt – das Top-Quark wechselwirkt viel stärker mit dem Higgs als das Elektron, was dem Top-Quark eine viel größere Masse verleiht als dem Elektron. „Dies ist das einzige Beispiel für eine ’nicht-universelle‘ Kraft im Standardmodell“, sagt Ruiz. Darüber hinaus ist das Higgs-Boson das erste in der Natur gefundene Elementarteilchen mit Null-Spin. „Dies ist ein völlig neuer Bereich in der Teilchenphysik des Standardmodells“, sagt Ruiz. „Wie es zustande kommt, wissen wir nicht.“

„Warum ist das Universum so exquisit ausbalanciert, dass Leben existieren kann?“

Ausgehend von den Wahrscheinlichkeiten, sollten wir eigentlich nicht hier sein. Galaxien, Sterne, Planeten und Menschen sind nur in einem Universum möglich, das sich in seinen Anfängen mit genau der richtigen Geschwindigkeit ausdehnte. Diese Ausdehnung wurde durch den nach außen gerichteten Druck der dunklen Energie bestimmt, die mit der nach innen gerichteten Anziehungskraft der Masse des Universums kämpft, die von der unsichtbaren dunklen Materie dominiert wird. Wären diese Größen anders – wäre die dunkle Energie nach der Geburt des Universums zum Beispiel nur ein bisschen stärker gewesen -, hätte sich der Raum zu schnell ausgedehnt, um Galaxien und Sterne zu bilden. Aber ein bisschen weniger dunkle Energie hätte dazu geführt, dass das Universum in sich selbst kollabiert wäre. Warum also, so fragt Erik Ramberg vom Fermilab in Batavia, Illinois, sind sie so perfekt ausbalanciert, um das Universum zu ermöglichen, in dem wir leben? „Wir kennen keinen fundamentalen Grund, warum dieses Gleichgewicht bestehen sollte“, sagt Ramberg. „

„Woher kommen astrophysikalische Neutrinos?“

Extrem energiereiche Neutrinos sollen aus den Kollisionen von schnellen geladenen Teilchen, den so genannten kosmischen Strahlen, mit leichten Teilchen (Photonen) in der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung, die das Universum durchdringt, entstehen. Doch was diesen Prozess in Gang setzt und wie die kosmische Strahlung beschleunigt wird, ist eine offene Frage. Eine führende Idee ist, dass Materie, die in die hungrigen supermassiven schwarzen Löcher in den Zentren der Galaxien fällt, kosmische Strahlung erzeugt – aber es gibt noch keinen Beweis für diese Hypothese. Man nimmt an, dass die dabei entstehenden Neutrinos so schnell unterwegs sind, dass jedes winzige Teilchen so viel Energie in sich trägt wie ein schnell geworfener Baseball (der Milliarden von Milliarden von Atomen hat). „Wir können nicht einmal ergründen, woher diese Dinger kommen“, sagt Abigail Vieregg vom Kavli-Institut für kosmologische Physik an der Universität von Chicago, die diese Frage gestellt hat. „Wenn wir das herausfinden, können wir etwas über die Quellen erfahren, die diese Teilchen auf extrem hohe Energien beschleunigen.“

„Warum besteht das Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie?“

Antimaterie ist wie Materie an einem anderen Tag: Sie hat dieselben Eigenschaften wie die Materie, aus der Planeten, Sterne und Galaxien bestehen, aber ein entscheidender Teil ist anders – ihre Ladung. Angeblich bestand das Universum anfangs zu gleichen Teilen aus Materie und Antimaterie, aber irgendwie hat die Materie gesiegt, da sich die meisten der beiden Stoffe kurz nach dem Urknall gegenseitig vernichtet haben, so dass ein kleiner Überschuss an Materie übrig blieb. Warum die Antimaterie dieses Tauziehen verloren hat, darüber kann nur spekuliert werden. Wissenschaftler sind auf der Suche nach Prozessen, die als Ladungsparitätsverletzungen bezeichnet werden und bei denen Teilchen vorzugsweise in Materie und nicht in Antimaterie zerfallen, um diese Diskrepanz zu erklären. „Wir wollen vor allem herausfinden, ob sich die Neutrino-Oszillationen zwischen Neutrinos und Antineutrinos unterscheiden“, sagt Alysia Marino von der University of Colorado, die diese Frage mit Symmetry geteilt hat. „Wir hoffen, dass die nächste Generation von Experimenten dies noch genauer untersuchen wird.“