Teilchenphysik
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Max-Planck-Gesellschaft schauen nicht nur auf die größten Objekte im Weltall. Sie müssen auch verstehen, was die Welt im KIeinsten zusammenhält. Alles besteht aus Teilchen – auch wir: Protonen, Neutronen und Elektronen sind die Zutaten der Atome in unseren Körpern. Doch es gibt noch viele ungeklärte Fragen zur Natur unseres Daseins. Auf der Suche nach Antworten verursachen Teilchenjägerinnen und -jäger am Large Hadron Collider des CERN Auffahrunfälle von Protonen, suchen tief unter der Erde nach Dunkle-Materie-Teilchen oder begeben sich auf die Spuren hochenergetischer Teilchen aus dem All.
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Grundlagen der Teilchenphysik
Alles, was wir sehen, besteht aus Molekülen und Atomen, die Atome wiederum aus Atomkernen und Elektronen. In den Atomkernen tummeln sich positiv geladene Protonen und ungeladene Neutronen, die wiederum aus nur zwei Versionen ein uns des selben Teilchens bestehen, dem Quark. Welche Teilchen sind noch bekannt? Welche Kräfte wirken zwischen den Teilchen und warum erklären diese, warum wir auf der Erde laufen können und die Teilchen unseres Körpers nicht mit denen der Erde ineinanderfließen? Warum waren Teilchen kurz nach dem Urkanll besonders präsent und wie helfen Teilchenbeschleuniger dabei, das frühe Universum wieder zum Leben zu erwecken? Alle Antworten gibt es im folgenden Artikel:
Wurzeln der Teilchenphysik in der Max-Planck-Gesellschaft
Auch wenn Albert Einstein mit der Entdeckung des Photoeffekts (Photovoltaik) und Nils Bohr mit seinem Atommodell die Grundsteine gelegt haben, gelang erst 1925 der Durchbruch hin zu einer schlüssigen Theorie der kleinsten Teile der Materie: Werner Heisenberg formulierte das mathematische Gerüst der Quantentheorie. Mit Heisenberg als ehemaligem Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik in München blickt auch die Max-Planck-Gesellschaft auf eine bewegte Vergangenheit zurück. Heute forschen Theoretikerinnen und Experimentalphysiker neben dem Institut für Physik auch an den Max-Planck-Instituten für Kernphysik und Quantenoptik am Thema.
Theorie der Teilchenphysik
Das Standardmodell der Teilchenphysik ist ein sehr erfolgreiches mathematisches Konstrukt, das den Aufbau des Universums beschreibt – genauer: die grundlegenden Bausteine aus der die Materie im gesamten Universum besteht. Die Gravitationstheorie von Einstein hingegen beschreibt, wie das Universum im Großen zusammenhält. Beide, das Standardmodell der Teilchenphysik und die allgemeine Relativitätstheorie erklären das Universum von den kleinsten Abständen von etwa 10-19 Metern bis hin zu den größten bekannten Entfernungen im von uns erforschbaren Universum von 100 Milliarden Lichtjahren. Beide Theorien zu einer zu vereinheitlichen bleibt eine der größten Forschungsfragen.
Dass Materie überhaupt Masse hat, erklärt das Higgs-Teilchen, das 2012 am Large Hadron Collider des CERN gefunden wurde. Das Higgs Teilchen repräsentiert das sogenannte Higgs-Feld, das alles durchdringt. Indem die Bausteine der Materie mit diesem Higgs-Feld interagieren, erhalten sie ihre Masse. Der Fund des Higgs-Austauschteilchens hat das Standardmodell der Teilchenphysik entscheidend gefestigt. Und doch es gibt noch viele offenen Fragen, an denen Forschende der Max-Planck-Gesellschaft forschen, etwa, wie das Higgs nun mit der Gravitation zusammenhängen könnte.
Woher kommt die Masse der Elementarteilchen?
Teilchen aus dem Labor
Um die Vorhersagen des Standardmodells zu testen und die Wechselwirkungen der Elementarteilchen zu verstehen, braucht es Teilchenkollisionen. Am Large Hadron Collider (LHC) des CERN etwa, prallen zwei Protonenstrahlen exakt aufeinander und erzeugen in einem Punkt Energien, die hoch genug sind, um die Bausteine der Protonen und andere Teilchen zu vermessen. Mit dem LHC beantworten Forschende, wie das junge und heiße Universum kurz nach dem Urknall aussah und warum es heute so ist, wie es ist. Im ATLAS-Detektor des LHC wurde auch das Higgs-Teilchen gefunden, eine Anregung des sogenannten Higgs-Feldes, das alles durchdringt. Forschende nutzen aber auch andere Experimente am CERN um Elementarteilchen zu untersuchen und wiegen in einem gigantischen Magnetkäfig die Masse des Neutrinos.
Wie schwer ist ein Neutrino?
Astroteilchenphysik
Teilchen durchdringen uns zu jeder Zeit, viele davon haben einen Ursprung im All. Wenn Elektronen oder Protonen in den Magnetfeldern extremer astrophysikalischer Objekte im Weltall beschleunigt werden, entstehen dort etwa hochenergetische Neutrinos oder Gamma-Strahlen. Treffen diese auf die Erde, lassen sie sich mit verschiedenen Methoden nachweisen. Neutrinos interagieren kaum mit Materie; beim Durchflug durch das Mittelmeer reicht aber schon die eine oder andere Reaktion, damit Detektoren, die wie an Perlenketten unter der Wasseroberfläche hängen, schwache aber messbare Lichtblitze ins Netz gehen. Anstelle des Meerwassers nutzen Teilchenphysikerinnen und -physiker auch die Atmosphäre als sogenanntes Detektorvolumen. Stößt ein hochenergetisches Teilchen aus dem Universum durch die Erdatmosphäre, tritt dieses eine ganze Kette an Folgereaktionen los. Die neuen Teilchen, die so entstehen, können ein Leuchten erzeugen, das Gamma-Teleskope wie MAGIC oder Hess am Boden einfangen. Sie rekonstruieren so das ursprüngliche Teilchen aus dem All, dessen Energie, Herkunft und vielleicht sogar, wie es entstand. Es gibt aber auch große mit empfindlichen Detektoren ausgestattete Wasserbecken auf der Erde, die die Teilchen aus der Atmosphäre direkt nachweisen oder Experimente in einem Untergrundlabor, die sich ganz auf die Suche nach Teilchen konzentrieren, die die dunkle Materie erklären könnten.
Wo steht die Forschung heute, wo geht es hin?
Trotz aller Forschungserfolge gibt es weiterhin große und ungeklärte Fragen: Warum gab es im jungen Universum einen kleinen Überschuss an Materie über der Antimaterie? Wir haben es diesem Umstand zu verdanken, dass wir und alles, was wir um uns herum sehen, existieren. Jene Materie, die uns im Alltag begleitet, ist hoch divers und besteht aus verschiedenen Materialien, die ihrerseits aus bestimmten Atomen zusammengesetzt sind. Das Innere der Atome aber, die Atomkerne, bestehen nur aus nur zwei Zutaten: Neutronen und Protonen. Warum ist das so? Und bleibt die Welt im Kleinen so einfach, wenn ein neuer Teilchenbeschleuniger noch tiefer in diese vordringen wird? Und schließlich eine Frage, die auch Einstein umtrieb: Wie lassen sich seine Gravitationstheorie, also die Wirkung der Schwerkraft bei großen Abständen, und die Quantenmechanik, die Theorie der Teilchen bei den kleinsten Abständen, zu einer allgemeingültigen Theorie verheiraten, die die Natur und ihre Kräfte bei allen Skalen vollständig erklärt? Auch wenn das Standardmodell der Teilchenphysik die Welt, wie wir sie kennen, sehr gut beschreibt, gibt es noch viel zu tun. Denn nur fünf Prozent entfallen auf das uns bekannte Universum, darin Planeten und Sterne. Der Rest: dunkle Materie und dunkle Energie. Beide sind bisher noch unbekannt, Forschende suchen aber eifrig nach den Zutaten der dunklen Materie – seien es Teilchen oder gar eine Vielzahl kleinerer schwarzer Löcher.
