Wie Teilchenphysiker mit dem LHC auf Zeitreise gehen

Zurück zum Urknall

Blick entlang der Teilchenstrahl-Achse ins Innere des gerade entstehenden ATLAS-Detektors. ATLAS ist inzwischen fertiggestellt und der gesamte Innenraum voller Messinstrumente. Bild vergrößern
Blick entlang der Teilchenstrahl-Achse ins Innere des gerade entstehenden ATLAS-Detektors. ATLAS ist inzwischen fertiggestellt und der gesamte Innenraum voller Messinstrumente.

Mit Magie wollte Goethes Faust herausfinden, „was die Welt im Innersten zusammenhält". Heute jagt die Physik dieser Frage nach, zumindest was unsere materielle Welt angeht. Statt Zauberformeln wendet sie nüchterne mathematische Formeln und Hightech-Experimente an. Trotzdem hat sie etwas Magisches: Sie reist durch Supersymmetrien, Schwarze Minilöcher oder zusätzliche Dimensionen und spricht von Quarks, Neutrinos oder Higgs-Teilchen.

Aus astronomischen Beobachtungen wissen wir, dass unser Universum vor etwa 13,7 Milliarden Jahren in einem gewaltigen Urknall entstand. Seitdem dehnt es sich aus und kühlt ab. Wahrscheinlich herrschte in der heißen Anfangsphase eine andere Physik als heute. Ihre Erforschung könnte einige der großen physikalischen Rätsel lösen. Dazu zählt die Dunkle Materie, die sich im Kosmos allein durch ihre Gravitation bemerkbar macht. Der Traum wäre also, mit einer Zeitmaschine eine Reise zurück zum Urknall anzutreten.

Tatsächlich gibt es solche Zeitmaschinen: die großen Teilchenbeschleuniger. Sie lassen atomare Materieteilchen heftig zusammenstoßen und erzeugen so kurzzeitig Bedingungen wie in der heißen Babyphase unseres Kosmos. Im Labormaßstab sind diese Teilchen-Crashs nicht nur ungefährlich, sondern kontrolliert wiederholbar. So können die Physiker genau erforschen, was dabei geschieht. Dazu benötigen sie große Detektoren, die als „Supermikroskope" das Allerkleinste sichtbar machen. Dort bauen die grundlegenden Kräfte und Elementarteilchen die Materie auf.

Die heutige Physik kennt zwölf Elementarteilchen, die nicht weiter teilbar sind - zumindest nach derzeitigem Wissen. Die wichtigsten sind das Elektron mit der Elementarladung -1 (d.i. die kleinste frei existierende elektrische Ladung) und zwei Quarks, das Up-Quark und das Down-Quark. Während das Up-Quark eine Ladung von +2/3 trägt, sind es beim Down-Quark -1/3. Und jetzt geht`s ans Bruchrechnen: Zwei Up-Quarks und ein Down-Quark bilden jeweils ein Proton mit der Ladung +1, zwei Down-Quarks und ein Up-Quark ein Neutron mit der Ladung 0. Um die heute vorhandene Materie zu beschreiben, braucht man noch ein viertes Teilchen: das Elektron-Neutrino. Es sorgt zum Beispiel bei Kernfusionsreaktionen im Inneren der Sonne für eine ausgeglichene Energie- und Impulsbilanz.

Diese vier Teilchen bilden die 1. Generation von Elementarteilchen. Zwei weitere Generationen mit ebenfalls je vier Elementarteilchen existierten früher, als das Universum noch heißer und dichter war. Heute entstehen sie nur noch kurzzeitig in Beschleunigerexperimenten - oder dort, wo extrem energiereiche kosmische Strahlung die Moleküle unserer Atmosphäre trifft. Die drei Generationen umfassen alle zwölf elementaren Materiebausteine des Standardmodells der Teilchenphysik. Für die „Steckverbindungen" zwischen ihnen sorgen drei der vier heute bekannten Grundkräfte. Nach den Vorstellungen der Quantenphysik vermitteln virtuelle Austauschteilchen diese Kräfte - wie hin und her fliegende Ping-Pong-Bälle. Das nur über kurze Reichweiten wirksame Gluon (Klebeteilchen) trägt dabei die starke Kraft. Es hält die Quarks in den Protonen und Neutronen in strenger Haft: Nur extrem energiereiche Bedingungen, wie direkt nach dem Urknall, können sie befreien. Die starke Kraft klammert zudem die Atomkerne zusammen. Sie wirkt damit der heftigen Abstoßung der elektrisch positiv geladenen Protonen entgegen. Träger dieser zweitstärksten, elektromagnetischen Kraft sind Photonen (Lichtquanten). Die dritte ist die schwache Kraft. Sie sorgt dafür, dass zum Beispiel beim radioaktiven beta-Zerfall aus Neutronen Protonen werden - oder umgekehrt. Ihre Austauschteilchen heißen W- und Z-Boson.

Nur die Gravitation entzieht sich bislang einer Beschreibung mit Quanten. Sie ist unglaubliche 1040-mal schwächer als die starke Kraft. Trotzdem dominiert sie über kosmische Distanzen hinweg. Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt sie präzise. Theoretische Physiker ringen seit Jahrzehnten darum, seine Theorie für das Größte mit der Theorie für das Kleinste, der Quantentheorie, zu vereinigen. Dazu gibt es heute verschiedene Ansätze, vor allem die Stringtheorie und die Schleifen-Quantengravitation (siehe auch Max Planck Forschung 1/06). Ob und welche von beiden die Natur richtig beschreiben, ist noch offen.

Die zwölf Elementarteilchen des Standardmodells der Teilchenphysik verteilen sich auf drei Generationen (li.). Bei drei der vier Grundkräfte sind die Teilchen,die sie vermitteln, experimentell nachgewiesen (re.). Bild vergrößern
Die zwölf Elementarteilchen des Standardmodells der Teilchenphysik verteilen sich auf drei Generationen (li.). Bei drei der vier Grundkräfte sind die Teilchen,die sie vermitteln, experimentell nachgewiesen (re.).
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