Mit vereinten Kräften in den Teilchenzoo

Es ist nur ein paar Jahrhunderte her, dass man davon ausging, die Welt sei aus den vier Elementen Feuer, Wasser, Luft und Erde zusammengesetzt. Diese Vorstellung hatte sich seit alters her etabliert und wurde schließlich von der Entdeckung der chemischen Elemente abgelöst, die man nun für der Weisheit letzten Schluss hielt.

Aber weit gefehlt, man musste mit Beginn des Atomzeitalter zugeben, dass auch die chemischen Elemente noch nicht den Urstoff der Materie ausmachten, sondern wiederum aus kleineren Einheiten, den Neutronen, Protonen und Elektronen, bestanden.

Nicht viel später kamen die Wissenschaftler auf die Idee nachzuschauen, ob diese Teilchen nicht auch aus weiteren Elementareilchen zusammengesetzt sein könnten. Und tatsächlich fand man, dass Neutronen und Protonen aus den sogenannten Quarks zusammengesetzt sein mussten.

Aber die Modelle, die man braucht, um die Experimente zu beschreiben, und die heute als Standardmodell bezeichnet werden, beschreiben noch viel mehr Partikel, als wir hier auf der Erde zwischen die Finger bekommen.

Für die Kernprozesse, also Kernfusion und Spaltung, braucht man zum Beispiel zusätzlich Neutrinos - die zunächst von Pauli nur postuliert worden waren, um ein paar Erhaltungssätze während des Vorgangs nicht zu verletzen - konnten später wirklich nachgewiesen werden. Und heute bringt es die Forscher bei der Messung von der Sonne kommender Neutrinos in Erklärungsnöte, weil es selbst eine geringe Masse zu haben scheint.

Aber es gibt noch exotischere Materie, welche in Beschleunigerexperimenten und in kosmischer Höhenstrahlung wiederfindet. Man hat Teilchen gefunden, die quasi die schweren Brüder der Erdmaterie zu sein scheinen. So haben das Elektron und sein Neutrino verwandte, wie das Myon und m-Neutrino sowie das Pion und das p-Neutrino. Diese Familienangehörigen heißen auch Leptonen.

Und auch zu Protonen und Neutronen kann man aus anderen Quarks Teilchen bauen, die ebenfalls dieselben Ladungseigenschaften besitzen, aber erheblich schwerer sind, als ihre auf der Erde vorkommenden Verwandten.

Diesen Quarks hat man hübsche Namen wie "up" und "down", "charm", "strange", "bottom" und "Top" gegeben, und man hat ihnen Farbladungen zugewiesen, die natürlich nichts mit den Farben zu tun haben, die wir so kennen. Man erleichtert sich so die Rechnerei, wenn man sagt, dass alle beobachtbaren Teilchen weiß sein müssen, d.h. entweder alle drei Farben oder Farbe und Antifarbe - wie gesagt, eine Ladung, vergleichbar mit positiver und negativer elektrischer Ladung - enthalten muss. Tatsächlich tragen die Quarks laut Standardmodell gedrittelte Ladungen, entweder plusminus 1/3 oder 2/3 Elektronenladungen. Einzeln kann man ein Quark nicht beobachten, weil sie durch sog. Gluonen zusammengehalten werden, deren Bindungskraft mit heutigen Beschleunigern noch nicht überwunden werden konnte. Aber um die Sache noch etwas komplizierter zu machen kann sich ein Gluon kurzfristig in zwei Quarks verwandeln.

Und damit sind wir mittendrin in einem weiteren Schlamassel, denn zu allem Überfluss wirken zwischen all diesen Teilchen, seien sie nun aus Quarks zusammengesetzt oder elementar, wie das Elektron oder Photon, unterschiedliche Kräfte.

Die Gravitation wirkt dabei ausnahmslos auf alle Teilchen, selbst auf diejenigen, die keine Ruhemasse besitzen, da laut Relativitätstheorie Energie mit Masse gleichzusetzen ist, braucht uns das nicht zu wundern. Überträger dieser Kraft ist entweder das Graviton oder die Krümmung der Raumzeit, je nachdem ob man Quantenmechanik oder Relativitätstheorie bevorzugt.

Oft wird die Stärke der Gravitationskraft damit demonstriert, dass sogar eine Feder zu Boden fällt, tatsächlich ist die Gravitation die schwächste Kraft und es bedarf der ganzen Erde, um auch nur eine Feder anzuziehen.

Die elektromagnetische Kraft ist nun wirklich die stärkste Kraft im Universum - sieht man mal von der Starken Kernkraft ab, deren geringe Reichweite sie nur im Atomkern wirksam werden lässt und dafür sorgt, dass er nicht auseinanderfliegt - glücklicherweise schirmen sich die unterschiedlichen elektrischen Ladungen gegenseitig ab, sonst wären wir noch nicht wesentlich über das Stadium des Urknalls hinaus gekommen. Ich habe hier bewusst nicht zwischen elektrischer und magnetischer Kraft unterschieden, weil nach langer Rechnung von Maxwell und Einstein beides das selbe ist - es sieht nur anders aus. Sie wird von den Photonen übertragen.

Bleiben noch die Starke und die Schwache Kernkraft, die nur im Bereich des Atomkerns ihre Wirkung entfalten. Die Starke Kernkraft ist dafür verantwortlich, dass das Atom nicht auseinanderfällt und die Gluonen sind träger dieser Kraft. Die Schwache Kernkraft spielt eine Rolle bei radioaktiven Zerfallsprozessen, sie wird von sogenannten W- und Z-Bosonen übertragen.

Ein weiters Teilchen, auf dessen Existenz es vor kurzem erste Hinweise gab, ist das Higgs-Teilchen, einige Wissenschaftler vermuten, dass es für die Masse der Quarks, und damit für fast das gesamte Gewicht des Universums verantwortlich sein könnte.

Weitere Kräfte sind zur Zeit nicht bekannt, aber das Sammelsurium ist ja auch schon kompliziert genug. Das ist auch der Grund warum die Physiker verzweifelt nach einer vereinheitlichten Theorie suchen, die all die beschriebenen Phänomene unter einen Hut bringt.

Erstes Ziel ist es dabei, die vier Kräfte zu einer vereinigten Kraft zusammenzufassen, wie es beim Elektromagnetismus schon geschehen ist. Dabei hat man in Hochenergieexperimenten in den Teilchenbeschleunigern geschafft auch die Starke und die Schwache Kernkraft zusammen mit der Elektromagnetischen Kraft in ein gemeinsames Modell der Kräfte einzufügen. Mit der Gravitation ist dies bisher noch nicht gelungen, man vermutet, dass hier noch größere Beschleuniger nötig sind.

All die Teilchen und Kräfte bereiten den Wissenschaftlern erhebliches Kopfzerbrechen, denn im Grunde bevorzugen auch sie einfache und überschaubare Modelle, aus denen sich dann elementare Konstanten, wie zum Beispiel die Elektronenladung oder die Gravitationskonstante, herleiten lassen. Dies kann das bisherige Standardmodell nicht leisten und auch die GUT, (Great Unified Theory = große vereinheitlichte Theorie) wird hier wahrscheinlich nicht den Durchbruch bringen.

Einen ganz anderen Ansatz macht deshalb die Superstringtheorie. Sie im Detail zu erklären würde hier den Rahmen sprengen, und muss einem späteren Artikel vorbehalten bleiben. Dieser Ansatz geht von einer Welt mit zehn oder 26 Dimensionen aus, in der sich die Kräfte nach aktuellem Stand der Erkenntnis tatsächlich in einem einheitlichen Formalismus erklären lassen. Die elementaren Teilchen bestehen laut Stringtheorie aus schwingenden Saiten, deren Töne die verschiedenen Energiezustände der Partikel darstellen.

Diese Superstringtheorie ist sehr vielversprechend, aber die heute zur Verfügung stehende Mathematik ist noch lange nicht ausreichend, um die theoretischen Vorhersagen zu bestimmen. Einige Physiker behaupten sogar, es sei eine Theorie des 21.Jh., die nur durch Zufall bereits im 20.Jh. entdeckt wurde.

Die vielen überzähligen Dimensionen sollen so zusammengerollt sein, dass sie nicht mit der von uns beobachteten Welt wechselwirken, um in diese Maßstäbe vorzudringen, die im Bereich der sog. Plancklänge (1,6x10-35 Meter, das ist so klein, dass ich mir nicht die Mühe mache, diese Zahl mit 35 Nullen nach dem Komma, zu beschreiben) liegen sollen, bräuchte man Energien, die unseren Forschungseinrichtungen noch auf sehr lange Zeit nicht zur Verfügung stehen werden.


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