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Einige hundert Physiker, Experten der Elementarteilchenphysik, saßen mit abwartenden, teils eisigen Mienen zu Füßen des Mannes, der nichts anderes wollte als sie davon zu überzeugen, daß ihrem Werk der krönende Abschluß unmittelbar bevorstehe. Ort der Handlung war die Universität von Liverpool, an der vom 14. bis 20. September das "Internationale Symposium über Elektron- und Photonwechselwirkungen bei hohen Energien" stattfand; der Sprecher war der australische Physiker Charles B. A. McCusker, ein angesehener Wissenschaftler auf dem Gebiet der kosmischen Strahlung. Er hatte eine besondere Einladung erhalten, auf der Konferenz in England zu sprechen.

Zwei Wochen vor Beginn der Tagung in England hatte Professor McCusker auf einem anderen Physikertreffen in Budapest bekanntgegeben, daß ihm und seinen Kollegen von der Universität Sydney höchstwahrscheinlich der Nachweis für die Existenz von "Quarks" gelungen sei.

Die Meldung, verbreitet von einer Nachrichtenagentur, schreckte Physiker wie Mitarbeiter naturwissenschaftlicher Zeitungsredaktionen gleichermaßen auf – sie stieß aber zugleich auf große Skepsis. Noch war nichts über die Art des Nachweises und insbesondere über das Maß an Wahrscheinlichkeit bekannt, mit dem man dem Nachweis von Quarks trauen durfte.

Unter Quarks verstehen die Physiker die kleinsten, die Urbauteilchen der Materie. Aus ihnen ist jedes Elementarteilchen und somit jedes Atom, mithin also alle Materie aufgebaut. (Ihren Namen verdanken diese Urelementarteilchen James Joyce, der das Wort "Quark" einen Helden seines Romans "Finnegan’s Wake" erfinden ließ.) Der amerikanische theoretische Physiker Murray Gell-Man übernahm das Wort zur Bezeichnung der fundamentalsten Einheiten unserer Welt.

Nach seinem Vortrag vor den Fachkollegen hat McCusker nun in der neuesten Nummer der angesehenen Zeitschrift Physical Review Letters vom 22. September einen Bericht erscheinen lassen, in dem eine genaue Beschreibung der verwendeten Nachweismethode für Quarks sowie eine Diskussion möglicher Fehlinterpretationen der durchgeführten Experimente gegeben werden. Nicht nur weil bestimmte Fehlerquellen unerwähnt blieben, wird die Publikation von McCusker weiterhin mit Skepsis und Unbehagen betrachtet.

Dies vor allem darum, weil es dem "Entdecker der Quarks" in England nicht gelang, letzte Zweifel an der Glaubwürdigkeit seiner Messungen auszuräumen. Zuviel steht auf dem Spiel und zu anfällig gegen Zufälligkeiten ist die verwendete Nachweisapparatur.

Sollten sich die Messungen des australischen Teams als richtig erweisen, so wäre Recht gesprochen über eine stattliche Anzahl von Gelehrten, die seit mehr als zweitausend Jahren darüber nachdenken, wie unsere Welt in ihrem Innersten aussieht. Eine der großen fundamentalen Fragen der Physik wäre gelöst, und die Lösung dieser Frage würde ohne Zweifel auch auf andere Bereiche unseres Lebens ausstrahlen.

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Sollten sich die Experimente als falsch herausstellen, dann wäre nur einmal mehr bewiesen, wie anfällig komplizierte physikalische Nachweisgeräte gegenüber störenden Einflüssen sind; ferner: wie kühn es ist, aus nur einer einzigen Beobachtung grundlegende Schlüsse zu ziehen. Kurzum: Hat Charles McCusker recht, so wird er sich bleibenden Ruhm zuziehen, vielleicht den höchsten, den die Naturwissenschaften kennen; hat er nicht recht – nun, so hat er sich nur geirrt.

Die Quarks verdanken ihr bisher nur hypothetisches Dasein dem fatalen Umstand, daß auf dem Gebiet der Elementarteilchenphysik die Menge des empirisch gefundenen Materials einem theoretischen Verhältnis um etliche Längen voraus ist. Daraus folgt, daß es jedem Physiker unbenommen ist, eine oftmals sehr unsichere theoretische Beschreibung bestimmter Eigenschaften der Elementarteilchen zu erstellen und sie mehr oder weniger hart mit den experimentellen Ergebnissen zu konfrontieren.

Ob die so gewonnenen Erkenntnisse mit Ansätzen anderer Kollegen übereinstimmen oder – im günstigsten Falle – nur beziehungslos nebeneinanderstehen, ist angesichts der großen Zahl von Veröffentlichungen auf theoretischem wie experimentellem Gebiet einfach nicht festzustellen. Diese Situation ist an allen Fronten der Physik anzutreffen – vielleicht noch am wenigsten an der Elementarteilchen-Front.

Der Meinung vieler Kenner, daß die bislang bekannten experimentellen Daten, so groß ihre Zahl auch sein mag, nicht dazu ausreichen, ein umfassendes theoretisches Verständnis vom Aufbau der Materie zu ermöglichen, steht eine Feststellung von Werner Heisenberg gegenüber. In einem im Jahre 1967 erschienenen Buch sagt Heisenberg: "Die Fülle an experimentellem Material über Elementarteilchen, das in den letzten Jahren gesammelt worden ist, mag als ein hinreichender Grund für die Annahme gelten, daß... tatsächlich alle wichtigen Faktoren bekannt sind, die für eine Formulierung der Theorie gebraucht werden."

Nicht nur durch diese Äußerung erweist sich Heisenberg als Optimist. Denn von allen Physikern, die nach einer umfassenden Theorie zur Beschreibung des Aufbaus der Materie suchen, ist er sich sicher, mit nur einer einzigen fundamentalen Gleichung zum Ziele zu gelangen. Sie zu lösen scheint indessen auch mit den heute verfügbaren Großcomputern der dritten Generation ein nahezu unmögliches Unterfangen zu sein.

Die "Gegenspieler" Werner Heisenbergs – unter ihnen besonders der israelische Physiker Yuval Ne’eman und Murray Gell-Man, aber auch Physiker in der Bundesrepublik – gehen von der Annahme aus, daß die Natur insofern einfacher aufgebaut ist, als daß zu ihrem Verständnis nicht äußerst komplexe Differentialgleichungen zu lösen sind.

Gell-Man und seine Mitstreiter fühlen sich durch einen mathematischen Kalkül bestätigt, der auf den norwegischen Mathematiker Marius Sophus Lie zurückgeht. Die von Lie angegebenen Rechenregeln ermöglichen eine überraschend einfache Einteilung der Elementarteilchen in Familien und Sippen. Viele der bis heute nahezu 200 bekannten Elementarteilchen können in "Lie’schen Gruppen" zu drei, acht, zehn oder mehr Mitgliedern eingeordnet werden; für diese Gruppen bestehen festgelegte und wohlbekannte Eigenschaften und Zusammenhänge.

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Die Einordnung der Elementarteilchen in Lie’schen Gruppen – auch SU(3)-Klassifizierung genannt – hatte vor McCuskers Entdeckung einen gravierenden Fehler, von manchen allerdings nur als Schönheitsfehler empfunden: Die Vertreter der einfachsten Gruppe, sie besteht nur aus drei Teilchen, waren nicht bekannt. Bei ihnen handelt es sich um die Quarks.

Aus dem Formalismus der Lie’schen Gruppen folgt für die Quarks eine Eigenschaft, die sie von allen Elementarteilchen unterscheidet: Während die "gewöhnlichen" Elementarteilchen eine negative oder positive elektrische Ladung haben, deren absolute Größe der Ladung eines Elektrons entspricht, besitzen die Quarks nur einen Bruchteil – ein beziehungsweise zwei Drittel – der Ladung des Elektrons.

Gerade diese Eigenschaft hätte die Existenz von Quarks durch die Nachweisverfahren der Elementarteilchenphysik leicht verraten können, ehe Professor McCusker sie in einer Wilsonschen Nebelkammer nachgewiesen zu haben behauptete. Schon seit Jahren war eine große Zahl von Physikern auf der Jagd nach Quarks, allerdings ohne Erfolg.

In der Wilsonschen Nebelkammer hinterlassen Elementarteilchen, die eine elektrische Ladung besitzen, entlang ihrer Flugbahn eine Spur aus winzigen Tröpfchen – ähnlich dem Kondensstreifen, den ein hochfliegendes Flugzeug erzeugt.

Weil die elektrische Ladung eines Quarks kleiner ist als die der anderen geladenen Teilchen, müßte es in der Nebelkammer eine entsprechend "dünnere" Spur hinterlassen, eine, die auf einem Nebelkammerphoto schwächer gezeichnet erschiene.

Eine solche blasse Spur meinen nun Dr. McCusker und seine Mitarbeiter auf vier von insgesamt 66 000 Aufnahmen gefunden zu haben. Diese Photos geben die Tröpfchenbahnen wieder, die in der Nebelkammer von Teilchen der aus dem Kosmos kommenden Höhenstrahlung erzeugt worden waren. Einen dieser vier Fälle beschreibt der australische Physiker in Physical Review Letters. Auf dem dort abgebildeten Nebelkammerphoto ist inmitten eines Schauers von Höhenstrahlungsteilchen eine der Flugbahnen tatsächlich kaum zu erkennen. Das kann die Spur eines Quarks sein, muß es aber keineswegs sein.

Kein Physiker würde je die weitreichenden Einsatzmöglichkeiten der Nebelkammer bezweifeln – ihr verdanken wir viele bedeutsame Entdeckungen. Jeder Kenner der Nebelkammer weiß jedoch auch um ihre Schwächen, die auf thermodynamischen und physikalischchemischen Gesetzmäßigkeiten beruhen und nur dann hinreichend unterdrückt werden können, wenn der gewonnenen physikalischen Aussage eine große Zahl beobachteter Ereignisse zugrunde liegt. Just das aber trifft für die jetzt publizierte Arbeit der Physiker aus Sydney nicht zu. Hier setzt denn auch die Kritik der Fachkollegen an der Veröffentlichung ein.

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McCusker glaubt also, die Quarks als Bestandteile der noch weitgehend unbekannten Höhenstrahlung nachgewiesen zu haben. Das klingt durchaus einleuchtend, denn bisher sind alle Versuche fehlgeschlagen, Quarks mit Hilfe von Hochenergiebeschleunigern "künstlich" herzustellen.

Seit Albert Einstein weiß man, daß – gemäß dem Äquivalenzgesetz E=mc hoch 2 – Energie (E) und Masse (m) zwei Erscheinungsformen der Materie sind: Aus Energie kann Masse werden und aus Masse Energie. In Hochenergiebeschleunigern und durch Prozesse in der kosmischen Höhenstrahlung werden Teilchen auf so hohe Energien gebracht, daß aus ihr Masse – also Materie oder neue Teilchen – entstehen kann.

Die kosmische Strahlung ist ungleich energiereicher als die Teilchen, die aus den Beschleunigern kommen. Man kann zwar diese Geräte als Quellen für eine regulierbare und intensive Strahlung verstehen, ihr Nachteil, gegenüber der kosmischen Strahlung liegt jedoch in der vergleichsweise niedrigen Teilchenenergie, die diese Maschinen liefern.

So beschleunigt die größte Forschungsanlage der Welt, das Protonen-Synchrotron in Serpuchow (UdSSR), Protonen auf eine Energie von 76 Milliarden Elektronenvolt (76 GeV), die kosmische Strahlung sendet indessen Teilchen aus dem Weltraum, deren Energie tausend- oder millionenmal größer ist. Selbst Energien von mehr als einer Milliarde GeV sind bei Teilchen aus der Höhenstrahlung gemessen worden.

Sollten die von den Physikern in Sydney durchgeführten Untersuchungen richtig sein, so wären einige Folgerungen für die Elementarteilchenphysik denkbar: Um eine systematische Erforschung der Quarks zu ermöglichen, reichen offenbar die Energien der Beschleuniger konventionellen Prinzips nicht aus. Auch mit Hilfe der in den USA und Europa geplanten Super-Beschleuniger mit Energien zwischen 200 und 400 Milliarden Elektronenvolt wird man kaum Quarkteilchen erzeugen können. Die für ihre Erzeugung erforderlichen Energien könnten wohl nur Speicherringe liefern, wie sie in Genf von der Europäischen Organisation für Kernforschung CERN und beim Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg gebaut werden.

Auf theoretischer Seite würde der gelungene Nachweis von Quarks gerade solche Ansätze als bedeutsam unterstreichen, denen physikalisch meß- und nachweisbare Annahmen zugrunde liegen. Für die SU(3)-Theorie und das Einteilen der Elementarteilchen in Lie’sche Gruppen wäre die Existenz realer Quarks eine krönende Bestätigung.

Von einem oder auch einer Handvoll angeblich nachgewiesener Quarks lassen sich die Experten aber nicht aus der Ruhe bringen. Denn schließlich sind sie jahrelang dazu erzogen worden, selbst eigenen Messungen äußerst kritisch zu beurteilen.