Supersymmetrische Stringtheorie

Icon tools.svg
Dieser Artikel wurde den Mitarbeitern der Redaktion Physik zur Qualitätssicherung aufgetragen. Wenn du dich mit dem Thema auskennst, bist du herzlich eingeladen, dich an der Prüfung und möglichen Verbesserung des Artikels zu beteiligen. Der Meinungsaustausch darüber findet derzeit nicht auf der Artikeldiskussionsseite, sondern auf der Qualitätssicherungs-Seite der Physik statt.
Dieser Artikel oder nachfolgende Abschnitt ist nicht hinreichend mit Belegen (beispielsweise Einzelnachweisen) ausgestattet. Die fraglichen Angaben werden daher möglicherweise demnächst entfernt. Bitte hilf der Wikipedia, indem du die Angaben recherchierst und gute Belege einfügst.

Die Supersymmetrische Stringtheorie (auch Superstringtheorie) ist ein Versuch, alle Kräfte und Wechselwirkungen auf kleine, vibrierende, supersymmetrische Strings zurückzuführen. Sie enthält im Gegensatz zur Bosonischen Stringtheorie Fermionen und ist somit supersymmetrisch. Seit der Zweiten String-Revolution werden alle fünf Arten der Superstringtheorie als Teil einer fundamentalen Theorie gesehen, die M-Theorie heißt.

Hintergrund

Das größte Problem der Physik ist, die Allgemeine Relativitätstheorie, die die Gravitation beschreibt und auf großen Skalen (z. B. Galaxien) angewandt wird, mit der Quantenphysik zu vereinen, die die Kräfte auf atomarer und subatomarer Ebene beschreibt.

Die Entwicklung einer Quantenfeldtheorie von Kräften führt zu Unendlichkeiten, Mithilfe der Renormierung kann man aber die Unendlichkeiten aufheben. Diese Renormierung gelingt bei drei Kräften, der elektromagnetischen Kraft, der schwachen und der starken Kernkraft, jedoch nicht bei der Gravitation. Die Quantentheorie der Gravitation muss also anders entwickelt werden, als die der anderen Kräfte.

Gemäß der Theorie, die fundamentalen Bausteine der Realität seien Strings im Bereich der Planck-Länge, hat jeder String eine einzigartige Schwingung oder Resonanz. Unterschiedliche Resonanzen stellen verschiedene Elementarteilchen dar. Die Spannung eines Strings liegt im Bereich der Planck-Kraft. Der String eines Gravitons (des postulierten Eichbosons der Gravitation mit Spin 2) hätte laut der Theorie die Wellenamplitude 0.

Die Superstringtheorie basiert auf der Supersymmetrie, jedoch konnten bisher an Teilchenbeschleunigern, wie dem LHC noch keine supersymmetrischen Teilchen entdeckt werden und einige Bereiche dieser konnten ausgeschlossen werden. Ebenso wenig konnten bisher große Extradimensionen nachgewiesen werden, die die Schwäche der Gravitationskraft erklären würden.

Extradimensionen

Das physikalische Universum scheint nur drei observierbare räumliche Dimensionen zu haben und eine zeitliche. Eine physikalische Theorie muss dies berücksichtigen, jedoch hält eine Theorie nichts davon ab, mehr als vier Dimensionen zu postulieren, im Falle der Stringtheorie muss es aufgrund der Konsistenz zehn Dimensionen besitzen, davon könnten die übrigen sechs nicht beobachtbaren Dimensionen kompaktifiziert sein oder unser Universum wäre am Rand einer höherdimensionalen Bran, in der alle Elementarteilchen registriert wären.

Wenn die Zusatzdimensionen kompaktifiziert sind, dann müssen die übrigen sechs in Form einer Calabi-Yau-Mannigfaltigkeit existieren. Die Superstringtheorie ist nicht die einzige Theorie, die mehr als drei räumliche Dimensionen postuliert, sie kann als eine Erweiterung der Kaluza-Klein-Theorien angesehen werden, welche eine fünfdimensionale Gravitationstheorie postulierten.

Verschiedene Superstringtheorien

Die theoretischen Physiker hatten Probleme mit der Existenz von fünf verschiedenen Superstringtheorien. Eine mögliche Lösung wurde Mitte der 1990er Jahre, am Anfang der zweiten String-Revolution gefunden. Die mögliche Lösung zeigte, dass die fünf verschiedenen Superstringtheorien Teil einer großen Theorie, der M-Theorie, sein könnten.

Die fünf Konsistenten Superstringtheorien sind:

  • Der Typ I String basiert auf nichtorientierten offenen und geschlossenen Strings, wobei die restlichen Theorien nur auf geschlossenen nichtorientierten Strings basieren.
  • Der Typ II String hat zwei verschiedene Varianten, den Typ IIA und den Typ IIB. Sie unterscheiden sich nur darin, dass der Typ IIA nicht chiral ist, der Typ IIB hingegen schon.
  • Die heterotische Stringtheorie ist vereinfacht eine "Mischung" aus einem typ I und einem heterotischen String.

Die $ E_{8}\times E_{8} $-heterotische Stringtheorie basiert auf einer einfachen Lie-Gruppe, der $ E_{8} $, dessen Unteralgebren auch in anderen Zweigen der theoretischen Physik genutzt werden.

Die SO(32)-heterotische Stringtheorie ist eine Stringtheorie, die auf einer Unteralgebra der $ E_{8} $ basiert.

Kombination von Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie

Die allgemeine Relativitätstheorie verwendet man bei großen Massen, oftmals auch in weiter Entfernung, die Quantentheorie befasst sich mit Kräften und Wechselwirkungen im atomaren und subatomaren Bereich. Die beiden Theorien werden nur in seltenen Fällen zusammen verwendet, zum Beispiel bei einem schwarzen Loch, jedoch müssen sie vereint werden, um so eine Situation vollständig zu beschreiben.

Singularitäten werden in der Stringtheorie vermieden, da es keine punktförmigen Zustände gibt.

Die News der letzten Tage

16.05.2023
Sonnensysteme | Planeten | Geophysik
Die Kruste des Mars ist richtig dick
Dank eines starken Bebens auf dem Mars konnten Forschende der ETH Zürich die globale Dicke der Kruste des Planeten bestimmen.
11.05.2023
Sterne | Teleskope
Einblicke in riesige, verborgene Kinderstuben von Sternen
Mit dem Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy (VISTA) der ESO haben Astronomen einen riesigen Infrarot-Atlas von fünf nahe gelegenen Sternentstehungsgebieten geschaffen.
10.05.2023
Festkörperphysik | Quantenphysik | Quantencomputer
Verschränkte Quantenschaltkreise
ETH-Forschenden gelang der Nachweis, dass weit entfernte, quantenmechanische Objekte viel stärker miteinander korreliert sein können als dies bei klassischen Systemen möglich ist.
10.05.2023
Exoplaneten | Geophysik
Widerspenstiger Exoplanet lüftet seinen Schleier (ein bisschen)
Einem internationalen Forschungsteam, an dem das Max-Planck-Institut für Astronomie beteiligt ist, ist es nach fast 15 Jahren vergeblicher Anstrengungen gelungen, einige Eigenschaften der Atmosphäre des Exoplaneten GJ 1214 b zu ermitteln.
10.05.2023
Atomphysik
Forschende beschreiben flüssigen Quasikristall mit zwölf Ecken
Einen ungewöhnlichen Quasikristall hat ein Team der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU), der Universität Sheffield und der Jiaotong-Universität Xi'an gefunden.
08.05.2023
Quantenphysik
Künstliche Intelligenz lernt Quantenteilchen zu kontrollieren
In der Quantenforschung braucht man maßgeschneiderte elektromagnetische Felder, um Teilchen präzise zu kontrollieren - An der TU Wien zeigte man: maschinelles Lernen lässt sich dafür hervorragend nutzen.
06.05.2023
Teilchenphysik | Kernphysik
Elektronen-Rekollision in Echtzeit auf einen Schlag verfolgt
Eine neue Methode erlaubt, die Bewegung eines Elektrons in einem starken Infrarot-Laserfeld in Echtzeit zu verfolgen, und wurde am MPI-PKS in Kooperation zur Bestätigung theoretischer Quantendynamik angewandt.
05.05.2023
Satelliten und Sonden | Quantenoptik
GALACTIC: Alexandrit-Laserkristalle aus Europa für Anwendungen im Weltraum
Alexandrit-Laserkristalle eignen sich gut für den Einsatz in Satelliten zur Erdbeobachtung.
04.05.2023
Festkörperphysik | Quantenphysik
Nanophysik: Wo die Löcher im Flickenteppich herkommen
Patchwork mit Anwendungspotenzial: Setzt man extrem dünne Halbleiternanoschichten aus Flächen zusammen, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, so finden sich darin Quasiteilchen mit vielversprechenden Eigenschaften für eine technische Nutzung.
03.05.2023
Sterne | Teleskope
Astronomen finden weit entfernte Gaswolken mit Resten der ersten Sterne
Durch den Einsatz des Very Large Telescope (VLT) der ESO haben Forscher zum ersten Mal die Fingerabdrücke gefunden, die die Explosion der ersten Sterne im Universum hinterlassen hat.