Ein kurzer Überblick über die Stringtheorie(n)

Die erste Stringtheorie wurde bereits um das Jahr 1970 aufgestellt, als Versuch, die Eigenschaften von Hadronen, also Teilchen aus Quarks und Gluonen, durch das Schwingungsverhalten eindimensionaler „Fäden“, sogenannten Strings, zu erklären. Mittlerweile existieren zahlreiche Varianten der Stringtheorien, wobei die Grundannahme stets die gleiche ist: Die Grundbausteine der Natur werden nicht mehr als punktförmige Teilchen angesehen, sondern verhalten sich wie eindimensionale Strings. Für die mathematische Konsistenz ergibt sich dadurch, dass sich das Universum in zehn Raumdimensionen ausdehnen muss, in welcher sich die supersymmetrischen Strings bewegen. Einige der Dimensionen lassen sich „aufrollen“, wodurch wir sie nicht direkt als tatsächlich existierende Raumrichtung wahrnehmen [1] [2] [3].

Generell existieren verschiedene Arten von Strings: Geschlossene und offene Strings. Die geschlossenen besitzen keine Endpunkte und haben so eine Topologie, die äquivalent zu der eines Kreises ist. Die offenen Strings haben jeweils zwei Enden und eine Topologie ähnlich zu der einer Strecke. Nicht alle Theorien besitzen offene Strings, aber alle haben geschlossene. Außerdem ist noch in Strings mit oder ohne Orientierung zu unterscheiden: Strings mit Orientierung besitzen stringinterne Pfeile, welche eine eindeutige Richtung bzw. Orientierung angeben [4].

Die Stringtheorien sind interessant, da sich dadurch die Möglichkeit ergibt, die bekannten theoretischen Unvereinbarkeiten bezüglich der Gravitation zwischen der Quantenphysik und der Allgemeinen Relativitätstheorie aufzulösen und somit die Antwort auf die Frage liefern zu können, wie sich die Gravitation bei geringen Abständen verhält. Interessant ist auch, dass sich aus Strings Objekte bilden lassen, die schwarzen Löchern ähnlich sind. Es bleibt jedoch die Frage, wie sich unsere gewohnte vierdimensionale Raumzeit mit der uns bekannten Physik aus diesen höherdimensionalen Theorien ableiten lässt [1] [3].

Die hauptsächliche Anwendung findet die Stringtheorie in der supersymmetrischen Version, welche die Symmetrie zwischen Bosonen und Fermionen beinhaltet, wobei es auch schon Weiterentwicklungen gibt, die sogenannten Brane-Theorien. Hier werden die Grundbausteine der Natur nicht als eindimensionale Strings, sondern als höherdimensionale Objekte, die Branes, angesehen [4].

Seit Mitte der 1980er Jahre definiert die Terminologie der Stringtheorien primär fünf verschiedene, zehndimensionale Stringtheorien:

• Typ I
• Typ IIA
• Typ IIB
• O-heterotisch oder auch SO(32)
• E-heterotisch oder auch E₈ x E₈

Typ I beschreibt sowohl offene als auch geschlossene, nicht orientierte Strings und elektrische Isolatoren. Offene Strings tragen elektrische Ladungen auf ihren Rändern mit Randbedingungen des Dirichlet-Typs und werden auch D-Brane genannt.

Die Typ IIA und Typ IIB Theorien beschreiben ausnahmslos geschlossene Strings als elektrische Isolatoren. Die Unterschiede zwischen den beiden Theorien liegen in der Orientierung der Strings, die es ausschließlich bei Typ IIB gibt und in der Eichsymmetrie. Während Typ IIB keine Eichsymmetrie besitzt, ist die von Typ IIA ist eine U(1)-Gruppe.

Die O- und E-heterotischen Theorien beschreiben ausschließlich geschlossene, orientierte und supraleitende Strings. Der Unterschied zwischen den beiden liegt ebenfalls in der Eichgruppe: Bei der O-heterotischen Theorie heißt diese SO(32) – bei der E-heterotischen E₈ x E₈. Beide Theorien bilden sich durch eine Kombination von Typ II und bosonischen Stringtheorien [2].

[1] Welt der Physik: Stringtheorie, (Link: https://www.weltderphysik.de/gebiet/teilchen/bausteine/jenseits-des-standardmodells/stringtheorie/), aufgerufen am 30.06.2020

[2] Spektrum: Stringtheorie, (Link: https://www.spektrum.de/thema/stringtheorie/1307212), aufgerufen am 30.06.2020

[3] Max-Planck-Institut: Stringtheorie, (Link: https://www.mpp.mpg.de/forschung/aufbau-der-materie/stringtheorie/), aufgerufen am 30.06.2020

[4] Physik Cosmos: Stringtheorie, (Link: https://physik.cosmos-indirekt.de/Physik-Schule/Stringtheorie), aufgerufen am 06.07.2020

Weiterführende Literatur:

[5] Maharana, Anshuman; Palti, Eran: Models of Particle Physics from Type IIB String Theory and F-Theory: A Review; International Journal of Modern Physics A Vol 28; 2013

[6] Karamanolis, Stratix: Die Stringtheorie: Phantom oder Realität?; 2008

[7] Rickles, Dean: A Brief History of String Theory: From Dual Models to M-Theory; 2014

[8] Blumenhagen, Ralph; Lüst, Dieter; Theisen, Stefan: Basic Concepts of String Theory; 2013

[9] Smolin, Lee: Die Zukunft der Physik: Probleme der Stringtheorie und wie es weitergeht; 2009

[10] Graña, Mariana; Triendl, Hagen: String Theory Compactifications; 2017