Wie die Teilchenphysik mit dem LHC auf Zeitreise geht

Zurück zum Urknall

Titelbild: Bau von ATLAS. Die Menschen fügen gerade das Vakuumrohr ein, das den Teilchenstrahl des LHC durch ATLAS leitet. In dessen Inneren, hinter dem gelblichen „Rad“ der Myonendetektoren (rechts), passieren die Teilchencrashs. Dabei entstehen auch Myonen, schwere Verwandte der Elektronen. Bild vergrößern
Titelbild: Bau von ATLAS. Die Menschen fügen gerade das Vakuumrohr ein, das den Teilchenstrahl des LHC durch ATLAS leitet. In dessen Inneren, hinter dem gelblichen „Rad“ der Myonendetektoren (rechts), passieren die Teilchencrashs. Dabei entstehen auch Myonen, schwere Verwandte der Elektronen.

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 und zusätzliche Dimensionen und spricht von Quarks, Neutrinos oder Higgs-Teilchen.

Aus astronomischen Beobachtungen wissen wir, dass unser Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren in einem gewaltigen Urknall entstand. Seitdem dehnt es sich aus und kühlt ab. Wahrscheinlich herrschten in der heißen Anfangsphase andere, uns heute noch unbekannte physikalische Gesetze. Ihre Erforschung könnte einige der großen Rätsel der Physik 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.

EIN GANZER TEILCHENZOO

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 Physikerinnen und Physiker 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 (Abb. A). 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 elektrische 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 elektrischen 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.

Abb. A: 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
Abb. A: 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.).

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 als vierte Kraft 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. Noch ist die Lösung dieser großen Rätselfrage der Physik nicht gelungen.

Zur Redakteursansicht
loading content