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3.3.2005
So kompliziert wie eine sizilianische Familie
Vor zehn Jahren geben Wissenschaftler die Entdeckung des Top-Quark bekannt
Von Laf Überland

Quarks in einem Atom: Kleinteile außer Kontrolle (Bild: pdg.lbl.gov)
Quarks in einem Atom: Kleinteile außer Kontrolle (Bild: pdg.lbl.gov)
Das Top-Quark ist das schwerste bisher gefundene Elementarteilchen - seine Masse entspricht fast der eines Gold-Kerns. - Nein, wenn Sie - genau wie ich zuerst - bei Goldkern an Nuggetts denken, so befinden Sie sich in der falschen Welt! - Goldkern meint - den Kern eines Goldatoms, und weil hier alles so klein ist bei den Quarks, können Sie sicher sein: Sie befinden sich - in der Quantenwelt.
Subatomare Realität heißt hier das Zauberwort... Das ist cool, denn man kann damit so wunderbare Sachen andenken wie Zeitreisen, parallele Universen und ihre Implikationen. Die Forscher aus der Quantenwelt wurden jedenfalls gerne behandelt wie die Schildbürger, als sie Licht einfangen wollten. Denn wo die Quantenwelt beginnt, da macht die Wissenschaft physikalische Grenzerfahrungen, jahrzehntelang oft nicht beweisbar: Und auch ein Wissenschaftler sägt ja nicht gern den Ast ab, auf dem er am Computer sitzt und forscht.


"Atome", so sagt mein Vater: "Atome sind die kleinsten Teile, die es gibt," erklärt er meiner Nichte am Küchentisch: Und ich muss ihm leider widersprechen. Denn das ist von gestern. Eigentlich sogar: von vorgestern!
Einer der Ersten, die versuchten, Ordnung reinzubringen in die Welt der kleinen Teile war der griechische Philosoph Leukipp. Er erkannte rund 400 Jahre vor Christus, dass es eine Grenze des Unteilbaren geben musste: kleinste Teilchen, die sich nicht weiter teilen ließen, so wie, wenn er einen Apfel in immer kleinere Stückchen schnitt, dann ja auch irgendwann Schluß war. Und er nannte dieses kleinste Teilchen "atomos", also "das Unteilbare".

Knapp fünfzig Jahre später allerdings kam Aristoteles mit der Idee, unsere Welt sei zusammengesetzt aus den vier Elementen Feuer, Wasser, Erde und Luft. Diese Theorie fand man allgemein schöner und ließ sie gelten: bis... - naja, im Grunde genommen: bis 1803, als der englische Chemiker John Dalton die Atome neu entdeckte. Rund hundert Jahre lang war dann das Atom die Grenze des Unteilbaren: der kleinste Baustein der Materie, bis 1901 das Elektron als Begleiter des Atomkerns entdeckt wurde und dann die Protronen und Neutronen und die Tatsache, daß das Atom hauptsächlich aus Nichts besteht....
Und seitdem waren die Mutigen auf der Jagd nach dem letzten Grundbaustein der Materie, der dieses unlogische "Nichts" ausfüllen sollte...:

Und sie puhlten in den Atomen herum und mußten es schließlich verantworten, dass - nach der Entdeckung der verwirrenden Eigenschaften der Quantenwelt - die Physik aus ihrer Ordnung geriet. Und fortan forschte man in zwei Welten - und fand die Quarks: die Bausteine der Materie.....

Grundlage des Standardmodells sind 61 Teilchen, bestehend aus Quarks, Leptonen und Bosonen. Die experimentell in den Teilchenbeschleunigern erzeugten Teilchen sind 3 Teilchen-Systeme, 2-Teilchen-Systeme und 1-Teilchen -Systeme. So bestehen Baryonen aus drei Quarks, Anti-Baryonen aus....

Die verwandtschaftlichen Beziehungen der Quarks sind so kompliziert und verwickelt wie die einer sizilianischen Familie: Sechs verschiedene Quarks gibt es; jedes Quark hat seine Entsprechung in einem Anti-Quark und ist außerdem niemals alleine anzutreffen, sondern immer in irgendwelchen Bindungen: als Up-, Down-, Strange-, Charm-, Bottom-Quark (das sie zunächst Beauty-Quark nannten, bis ihnen das zu kitschig wurde).

Und ausgerechnet den Dicken entdeckte man zuletzt - erst am 3. März 1995, als alle informierte Welt eigentlich dachte: Wir haben die Kleinteile jetzt unter Kontrolle....
Dabei ist das Top-Quark sogar das schwerste bisher gefundene Elementarteilchen; seine Masse entspricht fast der eines Gold-Kerns, also des Kerns eines Goldatoms: 36 000 mal so schwer wie das Up-Quark, dummerweise zerfällt es sofort nach seiner Entstehung, weshalb man es so lange nicht entdecken konnte... Naja, es zerfällt nicht sofort: Es braucht schon noch eine tausendstel Trilliardstelsekunde - 10 hoch minus 24 ist das - , aber wer kriegt so was schon mit, wenn er auf der Suche nach dem Ursprung der Dinge ist? - Und deshalb benötigte man dafür ja auch eine relativ komplizierte Apparatur!

Der Tevatron-Collider besteht aus einem kreisförmigen Tunnel von etwa 6,3 Kilometern Umfang, in dem Protonen und Antipro-tonen gegenläufig auf Energien von je 900 GeV beschleunigt werden; etwa tausend supraleitende Magnete halten die Protonen und Anti-Protonen auf ihrer Kreisförmigen Bahn. Im Zentrum eines etwa 5.000 Tonnen schweren Detektors werden dann...

Die von Quarks infizierten Wissenschaftler wären übrigens auch heute noch durchaus bereit, noch mehr Teilchen zu akzeptieren. Zur Zeit sind jedenfalls die Meisten auf der Jagd nach dem Higgs-Boson - oder dem "Teilchen Gottes", wie manche Physiker es nennen, weil es den anderen Teilchen nämlich erst zu ihrer Masse verhilft, - obwohl es sie natürlich auch vorher schon gibt. Aber in der Quantenwelt ist nichts so, wie unsere Logik es uns begreifen läßt.


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