Was du über Elementarteilchen wissen musst

Wer verstehen will, wieso – voilà:
Schon im antiken Griechenland überlegten Naturphilosophen, wie oft man ein Objekt teilen kann, bis es unteilbar ist. Sie gingen davon aus, dass es kleinste, nicht mehr teilbare Teilchen geben müsste – und nannten sie Atome. Der Name kommt vom altgriechischen átomos, was “unteilbar“ bedeutet. Nach dieser Vorstellung sind die Atome die Grundbausteine, aus denen die uns bekannte Materie besteht. Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts war dies Stand der Wissenschaft. Das Atom war das Elementarteilchen, kleiner ging nichts.

Und es geht doch kleiner

Das änderte sich erst 1919, als der Physiker Ernest Rutherford in seinen Experimenten herausfand, dass das Atom doch weiter teilbar ist und aus zwei Arten von Teilchen bestehen muss. Und zwar aus dem damals schon bekannten Elektron und einem neuen Teilchen, dem Proton. Es wurde, wie damals üblich, wieder nach einem altgriechischen Wort benannt: to prōton “Das Erste“. Dabei bilden Protonen den Atomkern und Elektronen die Hülle des Atoms. Bis Anfang der 30er-Jahre blieben Protonen und Elektronen die kleinsten bekannten Teilchen.

Das sollte nicht lange so bleiben

Denn die Physik war Anfang des 20. Jahrhunderts nach der Entdeckung der Radioaktivität, der Relativitätstheorie und mit der beginnenden Quantenphysik völlig in Aufruhr. Das alte Weltbild war ins Wanken geraten – und die Physiker  und Physikerinnen erfanden neue Methoden, um das Allerkleinste zu untersuchen.

1932 entdeckten Walther Bohte und sein Student Herbert Becker das Neutron – den zweiten Baustein von Atomkernen. Sie schossen Protonen auf Beryllium, um so das Element Bor zu erzeugen, doch zu ihrem Erstaunen entstand Kohlenstoff. Nicht nur das war verblüffend – zusätzlich wurde eine sehr energiereiche Strahlung freigesetzt.

Sie hatten die Neutronenstrahlung entdeckt, frei fliegende Neutronen. Die sind heutzutage für die Kernspaltung in Atomreaktoren wichtig, denn sie halten die nukleare Kettenreaktion in Gang. Während Protonen elektrisch positiv geladen sind, sind Neutronen elektrisch neutral. Die Protonen im Atomkern hatten also Zuwachs bekommen – die Elektronen in der Atomhülle blieben aber trotz aller Anstrengungen unteilbar.

Die nächste Entdeckung: das Antiteilchen

Im Jahr 1932 entdeckte Carl David Anderson das erste Antiteilchen. Jedes Elementarteilchen existiert in seiner “normalen“ Form – und als sein Antiteilchen. Masse und Lebensdauer beider Teilchen sind gleich, ihre elektrische Ladung ist jedoch genau entgegengesetzt. Anderson entdeckte ein Teilchen, das sich genau so wie das Elektron verhielt. Nur war es nicht negativ geladen, sondern positiv. Dieses Anti-Elektron nannte er Positron.

Anderson machte aber noch weitere Entdeckungen. Er fand ein weiteres Teilchen, das dem Elektron sehr ähnlich war, es war nur viel schwerer und kurzlebiger. Er nannte es Myon. Das Myon gehört wie das Elektron zur Gruppe der Leptonen. Später wurde noch ein drittes Lepton gefunden, das Tau-Lepton.

In den folgenden Jahrzehnten wurden weitere Teilchen entdeckt. Sogar Teilchen, die scheinbar keine Masse oder Ladungen hatten. So wurde im Jahr 1955 ein Teilchen entdeckt, das nur deshalb auffiel, weil bei seiner Entstehung ein Elektron scheinbar aus der Flugbahn geschubst wurde. Es reagierte weder auf Magnetfelder noch auf elektrische Felder. Dieses Teilchen war so neutral und klein, dass es Neutrino genannt wurde. In der Welt der Physik kam Goldgräberstimmung auf, die Experimente wurden größer, genauer – und so entdeckten die Physiker immer mehr Elementarteilchen.

Elementarteilchen-Chaos: Ordnung musste her

Anfang der 60er-Jahre versuchten die Physiker Ordnung in das Durcheinander der verschiedenen Elementarteilchen zu bringen, – indem man sie nach Ähnlichkeit sortierte Dafür gab es mehrere Vorschläge. Die wissenschaftliche Welt einigte sich schließlich auf diese Einteilung:

• Hadronen (altgriechisch hadrós für “dick, stark“).
  Heute weiß man: Hadronen sind Teilchen, die aus mindestens zwei Quarks oder Antiquarks bestehen – dazu gleich mehr. Proton und Neutron sind stabile Hadronen, die jeweils aus drei Quarks zusammengesetzt sind. Aus ihnen besteht die uns bekannte Materie. Andere Hadronen, wie Pionen oder Kaonen, sind aus einem Quark und einem Antiquark zusammengesetzt. Diese Hadronen haben jedoch nur eine kurze Lebenszeit.
• Leptonen (altgriechisch leptós für “dünn, klein, fein“)
  darunter fallen die Elektronen und Myonen und Tauonen sowie deren Neutrinos.
• Bosonen
  Wechselwirkungsteilchen, die für die Kraftübertragung zwischen den Hadronen und Leptonen zuständig sind. Sie wurden später nach dem indischen Physiker Satyendranath Bose benannt.

Lange war das Quark-Modell, das sechs verschiedene Quarks voraussagte, nur theoretischer Natur. Das erste Quark, das experimentell gefunden wurde, war das Bottom-Quark – das letzte, das Top-Quark, fand man erst 20 Jahre später, im Jahr 1995. Und das hatte eine überraschend hohe Masse: Das Top-Quark ist fast so schwer wie ein Goldatom.

Um Quarks näher zu beschreiben, mussten neue Maßeinheiten in der Physik etabliert werden. Dem Zeitgeist der 70er geschuldet wurden die verschiedenen Quarks nicht nach altgriechischen Wörtern benannt, sondern nach elektrischer Ladung, Farben (Color) und Geschmack (Flavour) unterteilt. Der Physiknobelpreisträger Richard Feynman war darüber nicht begeistert:

“Diese Physiker-Idioten, unfähig sich irgendwelche wundervollen griechischen Wörter auszudenken, bezeichnen diese Art der Polarisation mit dem unglücklichen Begriff ‚Farbe,‘ [sic!] der nichts mit der Farbe im üblichen Sinn zu tun hat.”

Und damit sind wir wieder am Anfang

Kleiner als Quarks, Leptonen und Bosonen geht’s nicht. Sie sind nach aktuellem Wissensstand unteilbar – und damit für die moderne Teilchenphysik die Elementarteilchen.

Eine Untergliederung aber kommt noch: Die sechs Quarks, die wir heute kennen, können in drei Paare gegliedert werden:

• Up und Down
• Strange und Charme
• Top und Bottom

Aus ihnen können alle uns bekannten Hadronen zusammengebaut werden. Dabei zeigt sich, dass die Kombination von drei Quarks die stabilsten Teilchen ergibt. Auch aus mehr oder weniger Quarks entstehen Teilchen, aber diese zerfallen nach kurzer Zeit wieder.

Die Bestandteile der Atomkerne der uns bekannten Materie, also die, aus der wir und die Welt um uns herum bestehen, wird jedoch nur aus zwei dieser Quarks gebildet. Die Protonen und Neutronen im Atomkern unserer Atome bestehen aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark (Protonen) oder einem Up- und zwei Down-Quarks (Neutronen).

Für ein beliebiges Atom im Periodensystem der Elemente benötigt es also nur vier Arten von Elementarteilchen:

• Up-Quark
• Down-Quark
• Elektron
• Bosonen

Jedes chemische Element lässt sich aus diesen vier Bausteinen der Teilchenphysik zusammenkleben.

Wir können zum Beispiel einen Text wie diesen hier über das Internet lesbar machen, weil wir das Elektron sehr gut verstanden haben. Also jenes Lepton, das um Atomkerne kreist und sich mit magnetischen und elektrischen Feldern beeinflussen lässt.

Es kann sich in einem Computer durch die Atomgitter des Kupferdrahts bewegen und dann in Lichtteilchen, die Photonen, die zu den Bosonen gehören, umgewandelt werden – um entweder per Glasfaser oder per Funkwelle Informationen auf einen anderen Computer zu übertragen. Wüssten wir nichts über Elementarteilchen, wäre unsere heutige Technik nicht vorstellbar.

Erst kürzlich gab es wieder Zuwachs: ein Tetraquark

Ein anderes Beispiel: Der Grund, warum ein Stuhl ein Stuhl bleibt und nicht in seine atomaren Bestandteile zerfällt, sind elektromagnetische Wechselwirkungen. Und die werden mit speziellen Elementarteilchen übertragen, den W- und Z-Bosonen.

Heute können wir sogar den Traum der Alchemisten wahr werden lassen und Blei in Gold umwandeln. Für Teilchenphysiker ist das ein leichtes Spiel: Sie müssen nur Teilchen mit der richtigen Energie auf Blei-Atomkerne schießen, um drei Protonen aus ihnen heraus zu trennen. Dann werden sie zu den Atomkernen eines Goldatoms. Leider rentiert sich das Verfahren aus Kostengründen nicht.

Und: Um neue Technologien zu entwickeln, die wir uns heute noch nicht einmal vorstellen können, ist Grundlagenforschung wie etwa die zu Elementarteilchen entscheidend. Und es gibt noch viele Teilchen zu entdecken: Erst im Juli 2020 wurde das Tetraquark entdeckt, ein bis dahin nur theoretisches Teilchen.

Man kann das grob damit vergleichen, als würde man sich fragen, aus welchen Einzelteilen ein bestimmter Pkw aufgebaut ist, hat aber dummerweise keine Werkzeuge, um ihn auseinanderzuschrauben. Die Lösung: Man lässt ein Auto mit möglichst hoher Geschwindigkeit auf ein festes Ziel oder frontal gegen ein anderes Auto prallen. Und versucht dann, aus den Trümmern abzulesen, aus welchen Teilen der Wagen aufgebaut ist.

Crashversuche in der Teilchenphysik

Genau solche Versuche machen Physiker, nur eben mit Teilchen. Wie bei einem Crashversuch ist vorher genau bekannt, wo der Zusammenprall stattfinden wird. An der zukünftigen “Unfallstelle” baut man ein Messgerät auf, den Detektor.

Je nachdem, welche Art von Teilchen gemessen werden soll, sind dies hochempfindliche Kameras für Lichtblitze oder feine Gewebe aus Drähten, um elektrisch geladene Teilchen zu finden.

Je stärker die Energie beim Aufprall der Teilchen, desto feinere Bruchstücke entstehen. Wie diese Bruchstücke sich bewegen, auf welchen Kurven sie fliegen und von welchen anderen herumfliegenden “Trümmerstücken” sie abhängig sind, untersuchen die Physiker genau und ziehen daraus Schlüsse auf die Art der gemessenen Teilchen.

Mal bewegen sich beide Teilchen, mal nur eins

Es gibt unterschiedliche Arten von Detektoren: solche, bei denen Teilchen auf ein festes Ziel geschossen werden (zum Beispiel bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt), oder solche, bei denen Teilchen in kilometerlangen Magnetringen so lange beschleunigt werden, bis sie schließlich aufeinanderprallen. Das ist etwa am Large Hadron Collider (LHC) am CERN bei Genf der Fall. Nachdem dieser vergrößert wurde und die Teilchen auf noch höhere Geschwindigkeiten beschleunigt werden konnten, wurde dort 2012 das Higgs-Teilchen entdeckt.

Ein ganz anderer Weg: Die Erde nutzen ...

... als Teil eines Detektionsexperiments: Wenn zum Beispiel kosmische Strahlung auf unsere Atmosphäre trifft, erzeugt sie beim Zusammenprall mit den Teilchen in der Luft ganze Schauer aus neuen Teilchen, die dann am Boden gemessen werden können. Oder man nutzt die Erde als Schutzschild gegen schon bekannte Teilchen, indem man Detektoren tief im Boden in alten Bergwerken aufbaut. Nur Teilchen wie etwa Neutrinos, die man sonst fast nicht messen kann, weil sie kaum mit der bekannten Materie interagieren, können dann bis zum Detektor durchdringen.

Tetraquarks, neue Teilchen aus dem Nichts

Krachen zwei Teilchen aufeinander, entsteht reine Energie, ein Lichtblitz. Aus diesen Photonen können dann je nach Menge der Energie noch unbekannte Teilchen entstehen. Das war der Fall beim Nachweis des Higgs-Teilchens 2012 oder ganz aktuell im Juli 2020, als am CERN ein Teilchen entdeckt wurde, das bisher nur theoretisch bekannt war: das  Tetraquark.

Ein Tetraquark besteht aus zwei Charm-Quarks und deren Antiteilchen, den Anti-Charm-Quarks. Normalerweise würden sich Teilchen und Antiteilchen gegenseitig auslöschen, die Physik spricht von Annihilation. Doch für eine kurze Zeitspanne bleibt das Tetraquark erhalten und kann erforscht werden.

Gerade Teilchen, die aus dem scheinbaren Nichts eines Lichtblitzes entstehen, faszinieren die Forschenden. Denn sie hoffen, bei solchen Ereignissen auch neue Teilchen zu entdecken, die von der aktuellen Theorie noch nicht vorhergesagt wurden.

Autor: Sebastian Funk