Prof. Dr. Allen C. Caldwell
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Astronomie . Astrophysik . Informatik . Komplexe Systeme . Mathematik . Quantenphysik . Teilchenphysik
Raum, Zeit, Materie, Kräfte
Woraus bestehen Menschen, Planeten oder ganze Galaxien? Ihre Bausteine sind Atome, die wiederum aus Atomkernen und Elektronen bestehen. Die Atomkerne schließlich setzen sich aus weiteren, noch kleineren Teilchen zusammen. Doch wie können wir uns solche Partikel vorstellen? Und warum finden sie überhaupt zueinander, welche Kräfte wirken zwischen ihnen?
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Wer solche Fragen untersucht, will nicht nur die Geheimnisse der Materie enträtseln, sondern auch verstehen, wie das Universum zu dem wurde, was es heute ist (Bild 1). Teilchenphysiker dringen nicht nur immer tiefer in die Materie vor. Sie sind auch auf der Suche nach völlig neuen Partikeln, die die Entwicklung des Kosmos beeinflussen. Das wichtigste Werkzeug der Forschung auf diesem Gebiet sind Teilchenbeschleuniger. In diesen Anlagen, die viele Kilometer lang sein können, prallen Teilchen mit hohen Energien aufeinander. Die Bruchstücke der Kollisionen enthüllen, wie die Materie aufgebaut ist – gelegentlich entstehen sogar bisher unbekannte Teilchen.
Solche Beschleuniger sind in gewisser Weise auch Zeitmaschinen: Indem sie Teilchen auf extrem hohe Energien beschleunigen, werden diese Bedingungen ausgesetzt, wie sie kurz nach dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren herrschten. So helfen uns die neuesten Beschleuniger, auch jene ferne kosmische Epoche zu erforschen. Mit Hilfe solcher Instrumente wurde entdeckt, dass die Bauteile von Atomkernen – Neutronen und Protonen – aus noch kleineren Quarks bestehen. Quarks werden durch Teilchen zusammengehalten, die Kräfte übertragen, den so genannten Gluonen – von glue, englisch: Klebstoff.
Das Resultat all dieser Funde ist kein ungeordnetes Sammelsurium von Teilchen und Kräften. Vielmehr ist es Forschern gelungen, sie systematisch in einem Schema zusammenzufassen: dem so genannten Standardmodell der Teilchenphysik. So stimmen bislang alle experimentellen Ergebnisse mit den theoretischen Vorhersagen überein, die sich aus dem Modell ergeben.
Damit ist die Forschung keineswegs am Ende. Zum einen konnten wir eine der wichtigsten Vorhersagen des Modells bislang nicht überprüfen: Masse – also das, was einen Gegenstand zu einem mehr oder weniger schweren Körper macht – ist demzufolge keine grundlegende Eigenschaft der Elementarteilchen. Stattdessen wird sie ihnen durch ein bislang unentdecktes zusätzliches Partikel erst »vermittelt«. Zu den Hauptzielen des weltgrößten Beschleunigers, des Large Hadron Collider (LHC) bei Genf, gehört es, nach diesem so genannten Higgs-Teilchen zu fahnden1.
