Eine Einführung in die Teilchenphysik
Wie die Welt der kleinsten Teilchen aufgebaut ist, was über fundamentale Kräfte bekannt ist und was Teilchen mit dem Urknall zu tun haben
Auf den Punkt gebracht
Teilchenphysik: Sie erklärt, aus welchen Bausteinen die Materie besteht, und untersucht die kleinsten Teilchen des Universums.
Urknall: Mit Teilchenbeschleunigern simulieren Physikerinnen und Physiker Bedingungen kurz nach dem Urknall und versuchen zu verstehen, wie sich das Universum entwickelte.
Standardmodell: Dieses Modell beschreibt die grundlegenden Teilchen und Kräfte des für uns sichtbaren Universums, wobei das Higgs-Boson für die Masse der Materie verantwortlich ist. Es gibt aber noch viele offene Fragen, die eine Physik jenseits dieses Modells wahrscheinlich machen.
Fundamentale Kräfte: Es gibt vier grundlegende Kräfte: Die elektromagnetische Kraft sowie die starke und schwache Kernkraft sind im Standardmodell der Teilchenphysik erfasst, die Gravitation durch die Einsteinsche Allgemeine Relativitätstheorie. Die Vereinheitlichung beider Theorien ist ein wichtiges Forschungsfeld, auch der Max-Planck-Gesellschaft.
Warum Teilchenphysik?
Wer erklären will, was war und was ist, braucht die Teilchenphysik. Denn 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 Elementarteilchen bestehen: dem up-Quark und down-Quark. Das Paradoxe daran ist: Die Welt besteht im Kleinsten immer aus denselben Teilchen. Je näher man hinsieht, umso einfacher wird alles. Warum das so ist, ist eine der größten Fragen, auch für Forschende der Max-Planck-Gesellschaft.
Mit Teilchenbeschleunigern auf den Spuren des Urknalls
Kurz nach dem Urknall war das Universum eine einzige heiße Ursuppe. Es war so heiß und überall herrschte solch hohe Energie, dass Quarks und andere Elementarteilchen frei umherflogen und miteinander interagierten. Erst, als das Universum sich schnell ausdehnte und dabei abkühlte, hatten Quarks die Gelegenheit, sich zu Protonen und Neutronen zu verbinden. Um den Beginn des Universums und die Entstehung der Materieteilchen zu erforschen, nutzt die Teilchenphysik gigantische Teilchenbeschleuniger – mit den höchsten Energiekonzentrationen, die sich auf der Erde erzeugen lassen.
Indem Forschende Protonen aufeinander schießen und die Bruchstücke der Kollisionen analysieren, schaffen sie für extrem kurze Zeit und in einem kleinen Punkt eine Teilchenwelt, wie sie kurz nach dem Urknall existierte. Damit beantwortet die Teilchenphysik nicht nur, welche Teilchen es gibt, die auch heute die Materie auf kleinsten Abständen ausmachen, sondern sie erklären das Universum, wie es vor 13,8 Milliarden Jahren existierte und wie es sich bis heute entwickelte – ohne, dass jemand von uns Menschen dabei gewesen sein muss.
Was sind die Grundbausteine der Materie?
Die sichtbare Materie macht nur etwa fünf Prozent des Universums aus. Der Rest: dunkle Materie und dunkle Energie. Diese wenigen Prozent bestimmen alles, was wir kennen: uns, die Erde, die Sterne und Galaxien. Und sie besteht laut dem aktuellen Verständnis aus zwei verschiedenen Elementarteilchen, dem sogenannten up- und down-Quark, sowie Elektronen. Ein Elektron hat eine einfach negative Elementarladung -1, ein up-Quark die Ladung +2/3 und ein down-Quark -1/3.
In Teilchenreaktionen kommen aber auch andere Teilchen vor, nämlich Myonen und Tauonen, das sind schwerere Varianten des Elektrons und zugehörige Neutrinos. Alle diese Teilchen zusammen bilden die Familie der Leptonen. Dazu kommen neben dem up- und down-Quark zwei weitere Quark-Familien mit je einem charm- und strange-Quark sowie einem top- und bottom-Quark. Das kann verwirren, nicht umsonst reden Forschende vom Teilchenzoo. Daher folgt hier ein Überblick über die Grundlagen dahinter.
Das Standardmodell der Teilchenphysik
Das Standardmodell ist ein sehr erfolgreiches mathematisches Konstrukt und bildet das grundlegende Instrumentarium der Teilchenphysik. Es beschreibt den Aufbau des Universums – genauer: die grundlegenden Bausteine aus der die Materie im gesamten Universum besteht. Was dann noch fehlt ist die Gravitationstheorie von Einstein, die beschreibt, was das Universum im Großen zusammenhält. Beide Theorien erklären das Universum von den kleinsten Abständen von etwa 10-19 Metern bis hin zu etwa 100 Milliarden Lichtjahren, die Größe des mit Teleskopen erforschbaren Universums. Es ist eine der größten Forschungsfragen, wie sich beide Theorien zu einer Einzigen verheiraten ließen, der sogenannten „theory of everything“.
Dass Materie überhaupt Masse hat, ist einem weiteren Teilchen zu verdanken: dem Higgs-Boson, das 2012 am Large Hadron Collider des Cern gefunden wurde. Das Higgs 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-Bosons hat das Standardmodell der Teilchenphysik entscheidend gefestigt. Und doch stellen sich noch viele Fragen, etwa, wie das Higgs mit der Gravitation zusammenhängt.
Die fundamentalen Kräfte der (Teilchen)welt
Es gibt vier fundamentale Kräfte: die Gravitationskraft, die elektromagnetische Kraft sowie die schwache und starke Kernkraft. Auch wenn sich theoretisch eine gravitative Anziehungskraft zwischen zwei Menschen ausrechnen lässt, ist diese viel kleiner als die Anziehungskraft der Erde auf einen Menschen. Denn die Schwerkraft ist abhängig von dem Produkt zweier Massen. Das erklärt, warum gerade Objekte astronomischer Ausmaße von ihr beeinflusst sind.
Der Elektromagnetismus wirkt auf die geladenen Leptonen im Standardmodell. Er führt dazu, dass sich negativ geladene Elektronenhüllen um positiv geladene Atomkerne anordnen. Sie bestimmt den atomaren Aufbau der Moleküle oder erlaubt dem Magnetfeld der Erde, geladene Teilchen von der Sonne abzufangen. Diese Kraft ist etwa hundert Trillion Trillion (eine Eins mit 38 Nullen) Mal stärker als die Gravitation.
Die starke Wechselwirkung oder starke Kernkraft hingegen wirkt nur auf extrem kurzen Abständen im Inneren von Atomkernen. Sie bildet den Klebstoff zwischen den Quarks und ist noch hundert Mal stärker als der Elektromagnetismus. Die schwache Kernkraft ist auf noch kürzeren Abständen aktiv und etwa eine Billion mal schwächer als der Elektromagnetismus. Sie ist für radioaktive Zerfälle verantwortlich, indem sie zum Beispiel einem up-Quark erlaubt, sich in ein down-Quark umzuwandeln.
Der Elektromagnetismus und die schwache sowie starke Kernkraft entfalten ihre Wirkung über sogenannte Austauschteilchen, auch Bosonen genannt. Das Higgs-Boson tanzt allerdings aus der Reihe. Es repräsentiert ein Feld, das keine Richtungen kennt und überall im Universum einfach da ist. Die anderen Bosonen stehen für Felder, die Kräfte vermitteln und richtungsabhängig sind. Das Photon (also Licht) vermittelt die elektromagnetische Wechselwirkung, das Gluon die starke Wechselwirkung, die Quarks in Protonen oder Neutronen bindet und das W- und Z-Boson die schwache Wechselwirkung.
Warum können wir auf der Erde stehen, nicht aber auf einem Neutronenstern?
Wenn wir nur aus Teilchen bestehen, warum fließt nicht alles ineinander? Warum bleibt Materie in Form? Warum stehen wir auf dem Erdboden und verschmelzen nicht mit ihm? Hier spielen die elektromagnetischen Kräfte zwischen den Atomen eine Rolle, die auch Atome in Molekülpackungen anordnen.
Auf einem Neutronenstern sieht die Sache anders aus. Hier steckt die Masse eines ganzen Sterns in einer Kugel so groß wie eine Stadt. Die Anziehungskraft auf einen Menschen wäre enorm und würde dazu führen, dass sich dessen subatomaren Bestandteile auf der Oberfläche der extremen Massepackung verteilen. Die Gravitationskräfte auf einem Neutronenstern sind so stark, dass Materie regelrecht in Neutronen gepresst wird. Auf der Oberfläche eines Neutronensterns dominiert dann die starke Kernkraft zwischen Neutronen.
Aber die kommt es überhaupt zu einem Kollaps eines Sterns? Wenn der Vorrat an Material für Kernfusion im Inneren verbraucht ist, fehlt die nach außen gerichtete Strahlungsenergie, dominiert die Schwerkraft und der Stern fängt an, in sich zusammenzusacken. Ist der Stern schwer genug, sind die Kräfte so stark, dass sich Elektronen und Protonen zu Neutronen und Neutrinos verbinden. Diese Reaktion ermöglicht übrigens die schwache Kernkraft. Da die Elektronen nun fehlen, kann nichts mehr den Stern in Form halten und die Schwerkraft siegt endgültig. Ist der ursprüngliche Stern noch größer und schwerer, ist der Kollaps so gewaltig, dass sogar die dichteste Packung von Materie im Neutronenstern nicht mehr Form behalten kann. Wenn die starke Kernkraft überwunden wird, fällt alle Materie in einen unendlich kleinen Punkt – ein schwarzes Loch entsteht.
Wo liegen die Grenzen des Standardmodells der Teilchenphysik?
Das Standardmodell funktioniert perfekt für die bekannte Materie, fünf Prozent des Universums. Aber es gibt noch viele offene Fragen, die eine Physik jenseits des Standardmodells wahrscheinlich machen. Hier einige Beispiele:
Die Gravitation und die quantenmechanische Teilchenwelt lassen sich bisher nur in zwei separaten Theorien beschreiben. Schwarze Löcher könnten der Schlüssel dazu sein, beide in einer zusammenhängenden Theorie zu erklären. Denn schwarze Löcher verbinden beides: die großen und die kleinsten Skalen, die höchsten Energien und kleinsten Abstände. Auch ist nach wie vor unklar, was dunkle Materie ist. Durchdringt sie wie das Higgs-Feld das gesamte Universum? Ist sie also erklärbar durch ein Teilchen, der Verkörperung eines solchen Felds? Haben Forschende schlichtweg noch nicht alle Teilchen gefunden? Oder ist die dunkle Materie einfach nur die Summe vieler leichter schwarzer Löcher?
Und schließlich die Frage: Warum existieren wir überhaupt? Wäre es im frühen Universum nur ein wenig anders gelaufen, wären wir heute wohl nicht hier. Denn damals, kurz nach dem Urknall, existierten Teilchen und Antiteilchen in fast identischen Mengen mit nur ein kleinem bisschen mehr Materie als Antimaterie, genauer bestand der Überschuss aus nur 1 zu einer Milliarde. Als Materie und Antimaterie sich gerade einmal 13 Sekunden nach dem Urknall gegenseitig unter gleißendem Licht auslöschten, blieb nur etwas Materie übrig, gerade genug, um alles zu erklären, was wir heute sehen. Warum es diesen leichten Materieüberschuss gab, gehört zu den großen offenen Fragen.
MPG/BEU
Hintergrundinformationen
Welche Energie erreichen Teilchenbeschleuniger?
Um die kleinsten Bestandteile der Materie zu untersuchen, müssen enorme Kräfte überwunden werden, die die Atome zusammenhalten. Je mehr man diese Welt eindringen will, desto mehr Energie muss aufgebracht werden. Daher beschleunigen Teilchenjägerinnen und -jäger Protonen im Large Hadron Collider (LHC) des Cern auf fast Lichtgeschwindigkeit und zwingen sie mittels supraleitender Magnete auf eine Kreisbahn von 27 Kilometern Umfang. Ihr Ziel: zwei solcher Protonenbeams aus entgegengesetzter Richtung wie bei einem Auffahrunfall zusammenkrachen zu lassen. Die Protonen werden so in ihre Bestandteile zerrissen, teils entstehen sogar neue Teilchen, die allesamt in einem Detektor, so groß wie ein mehrstöckiges Haus, identifiziert werden.
Teilchenbeschleuniger geben die Kollisionsenergie in Elektronenvolt an. Der LHC erreicht im Punkt der Kollision etwa 14 TeV (Teraelektronenvolt, eine eins mit zwölf Nullen). Ein Elektronenvolt entspricht der Energie, die ein Elektron beim Durchlaufen einer Beschleunigungsspannung von einem Volt erfährt.
Der Future Circular Collider: Die mögliche Zukunft.
Als Nachfolger des LHC ist der Future Circular Collider (FCC) im Gespräch. Er soll 100 TeV im Kollisionspunkt erreichen. Technisch wäre das ein gewaltiger Sprung nach oben. Auch würde die Energie erlauben, noch näher an den Urknall heranzukommen. Zum Vergleich: Der LHC oder auch FCC „sehen“ ein Universum, wie es weniger als eine Billionstel Sekunde nach dem Urknall vorlag. Das ist eine Eins mit 12 Nullen vor dem Komma. Aber zwischen diesem Punkt und dem Zeitpunkt Null ist noch viel passiert. Die Ära der Inflation, also dem schlagartigen Ausdehnen des Universums, endete etwa eine Quintillionstel Sekunde nach dem Urknall, das ist eine Eins mit 35 Nullen vor dem Komma. Die Energie des Universums hier war immer noch eine Milliarde mal höher als die Energie im Fokus des FCC.
Was sind Felder und wie hängen sie mit Teilchen zusammen?
Laut Marumi Kado, Direktor am Max-Planck-Institut für Physik, wird die Teilchenphysik grundlegend missverstanden. Laut ihm seien die Teilchen nur eine Seite der Medaille, sogar vergleichbar mit der Spitze eines Eisbergs. Teilchen sind nur Anregungen von etwas fundamentalerem, sogenannten Feldern, bei hohen Energien. So ist das Higgs-Boson eine Anregung des Higgs Feldes, das alles durchdringt. Die Anregung gelingt nur bei den hohen Kollisionsenergien des LHC. Marumi Kado vergleicht diesen Zusammenhang mit der Wasseroberfläche eines Sees: „Es ist, als würde man mit der Faust in die ruhige Oberfläche eines Sees einschlagen – die spritzenden Wassertropfen sind wie die Higgs-Teilchen, Anregungen des Higgs-Feldes“. Teilchen sind dadurch nicht weniger wichtig, denn nur wer sie nachweist kann damit beweisen, dass es das darunterliegende Feld gibt.
