Astronomie Lego für Physiker

Die Welt ist aus einer Handvoll Bausteinen aufgebaut. Das wusste schon Demokrit vor 2400 Jahren. Von der Entdeckung der Atome, Bosonen, Quarks und Gluonen berichtet

Das Glaubensbekenntnis der Physik formulierte vor 2400 Jahren ein Philosoph in freier Spekulation: Die Welt bestehe aus unteilbaren Teilchen, behauptete der griechische Gelehrte Demokrit. Zwar glauben Physiker heute nicht mehr an winzige Quader oder Pyramiden wie einst der alte Grieche. Die Atome ähneln eher russischen Matroschkas, in deren Innern immer neue Püppchen zum Vorschein kommen. Doch dass die Welt im Kern aus einer Handvoll Bausteinen aufgebaut ist, gilt heute immer noch.

Seit 70 Jahren suchen Physiker mit Teilchenbeschleunigern nach den kleinsten Komponenten. Sie schießen Atomkerne aufeinander und studieren die Bruchstücke. In den sechziger Jahren hatten sie so mehrere Dutzend neuer Teilchen entdeckt. Der Nobelpreisträger Enrico Fermi soll auf die Frage nach deren Namen geantwortet haben: »Wenn ich die alle im Kopf behalten könnte, wäre ich ein Botaniker.« Eine Ordnung, wie sie Chemiker mit dem Periodensystem der Elemente kennen, fehlte lange Zeit.

Anfang der siebziger Jahre entwickelten Theoretiker das Standardmodell der Elementarteilchenphysik, geleitet von der Quantenphysik und mathematischen Symmetrieprinzipien. Es enthält nur 17 Bausteine: 12 Materieteilchen (die so genannten Fermionen), 4 Teilchen, die immer dann ins Spiel kommen, wenn Kräfte wirken (die Bosonen), und das Higgs-Boson, das allen anderen auf recht undurchsichtige Weise ihre Masse verleiht. Es ist das einzige Teilchen, das sich noch nicht in Experimenten gezeigt hat.

Zu den Materieteilchen zählen neben den Quarks die drei Neutrinoarten sowie das Elektron und dessen schwergewichtige Cousins Myon und Tau. Materieteilchen wirken mit vier fundamentalen Naturkräften aufeinander, indem sie Kraftteilchen austauschen. Die Quarks zum Beispiel werden durch eine Art Klebeteilchen, das Gluon, zusammengehalten – es wurde 1979 am Forschungslabor Desy in Hamburg entdeckt. Die bekannteste Kraft, die Schwerkraft oder Gravitation, kann das Standardmodell indes nicht erklären, dazu braucht es die Allgemeine Relativitätstheorie.

Erst eine noch zu entwickelnde Theorie soll Quantentheorie und Relativitätstheorie miteinander vereinen und auch den Ursprung aller vier Kräfte aus einer einzigen Kraft erklären. Diese Urkraft muss das Universum in dessen ersten Sekundenbruchteilen beherrscht haben. Über ihre Eigenschaften können Physiker bislang nur spekulieren. In guter alter Tradition.

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