Woraus unsere Welt besteht und was sie zusammenhält. Teil 1: Ein Zoo aus Elementarteilchen

Fr, 07.02.2013 - 04:20 — Manfred Jeitler

Bei dem ursprünglich als unteilbar kleinste Einheit der Materie gedachten Atom stellte sich heraus, dass es aus einer Reihe von Elementarteilchen besteht: aus den Grundbausteinen der Atomkerne (Quarks), Leptonen (z.B. Elektronen) und Kraftteilchen (Eichbosonen), welche die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen vermitteln. Was verschafft den Teilchen aber Masse? Welche fundamentale Rolle spielt das kürzlich entdeckte ›Higgs-Boson‹?

Letztes Jahr wurde am Forschungszentrum CERN (Europäische Organisation für Kernforschung) in Genf das Higgs-Teilchen entdeckt - das haben Sie sicher schon gehört. Aber was hat es mit diesem geheimnisvollen Teilchen auf sich? Wozu „brauchen“ wir das? Man hört, dieses Teilchen erschaffe die Masse. Was soll das heißen? Würden wir ohne das Higgs-Teilchen vielleicht masselos umherschweben? Das wäre zwar angenehm beim Stiegensteigen, aber doch auch sehr lästig, wenn man beim ersten kleinen Freudensprung ohne Widerstand in den Weltraum entweicht und seine Lieben nie wieder sieht. Auch die ganze Erde würde ja dann nicht zusammenhalten, und jeder von uns würde auf seinem eigenen kleinen Asteroiden sitzen, wie der kleine Prinz von Saint-Exupéry. Das wäre doch ein wenig einsam. Haben vielleicht die Physiker am CERN letztes Jahr mit ihrer Entdeckung rasch noch die Welt gerettet, vor dem schon vorhergesagten Weltuntergang knapp vor Weihnachten? Manchmal wurde das fragliche Teilchen auch als „Gottesteilchen“ bezeichnet. Heißt das, dass die Physiker jetzt vielleicht auch noch den lieben Gott in ihren Apparaturen entdeckt haben, wie seinerzeit Goethes Faust den Homunculus?

Nichts von alledem - so faszinierend das auch klingen mag. Das Higgs-Teilchen „erschafft“ nicht die Masse - und es gab natürlich dieses Teilchen auch schon, bevor es entdeckt wurde. Aber es hat tatsächlich etwas mit der Masse der anderen Elementarteilchen zu tun. (Was ein Elementarteilchen ist, werden wir gleich besprechen.) Der reißerische Ausdruck „Gottesteilchen“ hat noch viel weniger mit tiefsinniger Wahrheit zu tun. Der amerikanische Nobelpreisträger Leon Lederman schrieb ein Buch über das Higgs-Teilchen, das seit langem vorhergesagt, aber schwer zu finden war. Er wollte es deshalb das „gottverdammte Teilchen“ („goddamn particle“) nennen, genau so, wie wir vielleicht schimpfen: „Wo ist denn schon wieder diese blöde Brille?“, wobei es um den Intelligenzquotienten unseres Sehbehelfs um nichts schlechter bestellt ist als um das Seelenheil unseres kleinen Teilchens. Gotteslästerliche Flüche gelten in den USA aber nicht allgemein als cool, und drum wurde der Name dann auf „Gottesteilchen“ abgeändert. Manche Physiker glauben an den lieben Gott, andere nicht, aber es wird wohl kaum einen geben, der ihm ernstlich die Erschaffung gerade dieses Teilchens, aber nicht die der übrigen Bestandteile unserer Welt zuschreibt.

Der Elementarteilchen-Zoo

Wie sieht es nun aber mit diesen Bestandteilen aus? Zuerst einmal ist die Welt ja ein verwirrendes Durcheinander von Menschen, Autos, Bäumen, Maikäfern und anderen Objekten. Schon im Altertum versuchte man, etwas Ordnung in dieses Wirrwarr zu bringen und alles auf der Welt auf vier Grundstoffe oder Elemente zurückzuführen. Das hat nicht ganz geklappt. Klarheit geschaffen hat in der Chemie das im 19. Jahrhundert von Mendeleev und anderen entwickelte Periodensystem der Elemente. Wir wissen nun, dass im Wesentlichen alles auf der Welt aus Atomen besteht, von denen es knapp hundert verschiedene Arten gibt. Dieser Mendeleev zeigte übrigens eine ganz schöne Zivilcourage, denn zu seiner Zeit waren noch jede Menge Elemente in seinem Periodensystem nicht entdeckt worden. Er zeichnete gewisser Maßen eine Landkarte mit vielen weißen Flecken, die dann erst im Laufe der Zeit mit den neu entdeckten Elementen gefüllt wurden. Das Element Helium, das erst später auf der Sonne nachgewiesen wurde, ist nur eines von einer ganzen Reihe solcher Beispiele.

„Atom“ heißt auf Griechisch „das Unspaltbare“, der Name geht ursprünglich auf den alten Griechen Demokrit zurück und wurde in der modernen Chemie und Physik wieder verwendet. Leider ist er irreführend, denn bekanntlich beschäftigen sich ja die AKW-Betreiber mit Begeisterung gerade damit, Atome zu spalten. Man hat gemerkt, dass Atome aus anderen Teilchen bestehen – Protonen, Neutronen und Elektronen. Bei Protonen und Neutronen hat sich herausgestellt, dass sie ihrerseits wieder aus anderen Teilchen zusammengesetzt sind, den so genannten „Quarks“. Die haben nichts mit Speisetopfen zu tun, der nette Name wurde vom amerikanischen Physiker Gell-Mann erfunden, der dieses Wort aus einem Buch von James Joyce entlehnt hat (aus „Finnegans Wake“; James Joyce ist viel schwieriger zu verstehen als Elementarteilchenphysik, und darum kann ich Ihnen auch nicht sagen, warum gerade dieser Name gewählt wurde). Elektronen und Quarks bezeichnet man als „Elementarteilchen“, weil man bei ihnen bis heute keinerlei innere Struktur festgestellt hat. Sie sind also „elementar“ in dem Sinne, dass sie – jedenfalls nach dem heutigen Stand des Wissens – nicht aus anderen Bausteinen zusammengesetzt sind.

Man hat aber in der kosmischen Strahlung und in Beschleunigerexperimenten noch eine ganze Menge anderer Elementarteilchen gefunden, die man eigentlich gar nicht „braucht“, um die Materie zu bilden. Dafür brauchen wir nämlich eigentlich – so scheint es jedenfalls auf den ersten Blick – nur drei Teilchen: zwei Quarks (das „Up“-Quark und das „Down“-Quark, aus denen wir Proton und Neutron zusammensetzen können) und das Elektron. Es gibt aber noch eine Menge anderer Teilchen, die aus anderen Arten von Quarks bestehen (mit attraktiven Namen wie „strange“, „charm“, „bottom“ und „top“), und auch noch Elementarteilchen, die mit dem Elektron verwandt sind (das Myon, das Tau, und mehrere Neutrinos). Diese Teilchen sind allerdings nicht stabil, sie zerfallen innerhalb kurzer Zeit. („Zerfallen“ heißt aber nicht, dass sich die Teilchen in ihre „Bestandteile“ trennen, Elementarteilchen bestehen ja eben nicht aus mehreren Bausteinen. Es bedeutet vielmehr, dass sich die Teilchen in mehrere leichtere Teilchen umwandeln.) Trotzdem kommen diese instabilen Teilchen in der Natur vor: sie werden bei Zusammenstößen erzeugt, wenn hochenergetische [1] Teilchen aus der kosmischen Strahlung auf die Atome in der Erdatmosphäre treffen.

Wechselwirkungen zwischen den Teilchen

Was wir aber durchaus brauchen, um die Natur zu beschreiben, ist etwas, das die Wechselwirkungen zwischen Teilchen bewirkt. Sie haben vielleicht schon gehört, dass sich elektrisch geladene Körper anziehen, wenn sie verschiedene Ladungen tragen (negativ und positiv), und abstoßen, wenn dieselbe Ladungsart in ihnen vorliegt. Das nennt man die „elektromagnetische Wechselwirkung“. Dennoch können mehrere (positiv geladene) Protonen in einem Kern zusammen liegen, ohne dass dieser auseinanderfliegt. Dafür ist unserem Verständnis nach eine andere Wechselwirkung verantwortlich (die so genannte „starke“ Wechselwirkung). Dass ein Stein zu Boden fällt, wenn wir ihn auslassen, ist der Gravitation zu verdanken. Und schließlich beobachtet man bei radioaktiven Zerfällen auch noch eine vierte Art der Wechselwirkung, die als die „schwache“ Wechselwirkung bezeichnet wird.

Wie aber kommen diese Wechselwirkungen zustande? Woher weiß ein Elektron, dass ihm gegenüber ein Proton sitzt, und es sich von diesem gefälligst angezogen fühlen soll? Woher weiß der Stein, in welche Richtung es da zum Boden geht? Woher wissen zwei Protonen in einem Atomkern, dass sie beieinander bleiben sollen? Nach unserem gegenwärtigen Verständnis sieht es so aus, dass dies durch eine andere Art von Teilchen bewirkt wird, so, wie die Ziegel in einem Bauwerk durch Mörtel zusammengehalten werden. Man kann sich das vielleicht wie zwei Hunde vorstellen, die sich um einen Knochen streiten und dadurch zusammen gehalten werden (oder wie zwei Burschen, die sich um die Gunst derselben jungen Dame bemühen). Eine abstoßende Wechselwirkung kann man sich z.B. wie einen Ball vorstellen, der von Leuten in zwei Booten hin- und hergeworfen wird, wodurch die Boote auseinander treiben. Das ist aber nicht nur ein Bild oder ein Gleichnis: diese Teilchen hat man tatsächlich gefunden und mit physikalischen Geräten (so genannten „Detektoren“) nachweisen können!

Das Standardmodell der Elementarteilchen

Das ist ja ganz schön kompliziert, nicht wahr? Der liebe Mendeleev hat die Natur so einfach und klar gemacht. Auch die Atome scheinen nur aus Protonen, Neutronen und Elektronen zu bestehen. Jetzt aber kommen diese Teilchenphysiker, finden in der kosmischen Strahlung und in Beschleunigerexperimenten noch jede Menge anderer Teilchen, und es herrscht wieder ein Riesendurcheinander. Wer soll sich alle diese „K-Mesonen“ und „Lambda-Hyperonen“ und „Baryonen“ und „Tau-Leptonen“ und vielen anderen Teilchen mit exotischen Namen denn merken? Auch die Physiker selbst waren darüber nicht immer glücklich und haben manchmal bei der Entdeckung eines neuen Teilchens gestöhnt: „Wer hat denn das schon wieder bestellt?“ oder „Statt eines Nobelpreises sollten die Leute für die Entdeckung eines neuen Teilchens lieber eine saftige Geldstrafe aufgebrummt bekommen!“. Aber mit der Zeit hat man in diesem so genannten „Teilchenzoo“, in dem es tatsächlich von exotischen Wesen wurlt wie im Tiergarten Schönbrunn, eine Ordnung erkannt und wieder so etwas Ähnliches wie ein Periodensystem entdeckt. Man nennt dieses System das „Standardmodell der Elementarteilchen“. Es gibt darin nur wenige Typen von elementaren Teilchen: Quarks, „Leptonen“ (das sind die Teilchen, die mit dem Elektron verwandt sind), und „Eichbosonen“ (die Kräfte-Teilchen, die die Wechselwirkungen vermitteln - also die Knochen, um die die Hunde streiten, oder die Bälle, die hin- und hergeworfen werden).

Abbildung 1. Das Standardmodell der Elementarteilchen mit dem zentralen Higgsteilchen

Langsam glauben Sie vielleicht, ich mache mir hier eine Themaverfehlung zu Schulden. Da verspreche ich, Ihnen das Higgs-Teilchen zu erklären, und jetzt rede ich aber von jeder Menge anderer Teilchen, Wechselwirkungen und Modelle. Stimmt aber nicht, jetzt komme ich auf den Punkt: Dieses Higgs-Teilchen ist ein ganz wesentlicher Bestandteil des Standardmodells: sehen Sie sich das Bild des Standardmodells an, wo es in der Mitte zwischen Quarks, Leptonen und Kräfteteilchen thront.

Aber bis letztes Jahr war es noch nicht experimentell gefunden worden! Es war sozusagen so etwas, wie das Element Helium für Mendeleevs Periodensystem: ein weißer Fleck auf einer Landkarte. Das Standardmodell wurde in den siebziger Jahren des 20. Jahrhunderts entwickelt, viele seiner Bestandteile waren damals schon bekannt. Im Laufe der Jahre wurden dann die restlichen vorhergesagten Teilchen gefunden, nur dieses gottverdammte … pardon, dieses schwer nachweisbare Teilchen ließ sich nicht und nicht entdecken. Und weil die Physiker ihm so lange erfolglos nachgelaufen sind, freuen sie sich jetzt natürlich besonders, es gefunden zu haben.

Anmerkung des Autors

Dieser Beitrag ist meinem Freund und Kollegen Laurenz Widhalm gewidmet, einem begeisterten Physiker, der sich besonders dafür engagiert hat, die Physik der Öffentlichkeit, vor allem aber der Jugend, näher zu bringen. Leider hat er uns viel zu früh verlassen.

Anmerkungen der Redaktion

[1] »Hochenergetisch« bedeutet zunächst einmal »sehr schnell«, d.h. jedenfalls im »relativistischen Geschwindigkeitsbereich«, also einem wesentlichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit (die allerdings keinesfalls überschritten werden kann). Aber »schnell« allein ist auch etwas irreführend: denn bei Zufuhr von Energie erreichen Teilchen recht bald beinahe Lichtgeschwindigkeit und erhöhen diese dann bei weiterer Zufuhr von Energie kaum noch.

Der Länge wegen wurde der Artikel von Manfred Jeitler geteilt. Hier geht es zum 2. Teil: »Woraus unsere Welt besteht und was sie zusammenhält: Was ist das Higgs-Teilchen?«.

Weiterführende Links:

Vorträge und Vorlesungen von Manfred Jeitler

Higgs – CERN – Universum (PDF download; leicht verständliche Darstellung in Deutsch; zuletzt abgerufen am 17.11.2012) Die größte Maschine der Welt (PDF-download; leicht verständliche Darstellung in Deutsch; zuletzt abgerufen am 19.11.2012) Astro-Particle Physics (WS 2012/13) — PDF-Downloads:

• Teil 1 Überblick
• Teil 2: Detektoren
• Teil 3: Beschleunigungsmechanismen

Introduction to Particle Physics CERN: Europäische Organisation für Kernforschung (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) Am CERN wird der Aufbau der Materie aus Elementarteichen erforscht und wie diese miteinander wechselwirken - also woraus das Universum besteht und wie es funktioniert. Publikumsseiten des CERN Auf der Webseite des CERN findet sich u.a. eine Fülle hervorragender Darstellungen der Teilchenphysik (Powerpoint-Präsentationen)