Von Barnabas Thwaites

Grundlegend für die Physik der Elementarteilchen ist der Gedanke des Zerteilens, des Reduzierens der Materie auf immer kleinere Partikel mit dem unbescheidenen Ziel, schließlich die Natur – zumindest die Atome – aus einem Bausatz letzter Elemente rekonstruieren zu können. Auf ihrer ständigen Suche nach kleinsten Bausteinen machen Physiker auch immer wieder ein bestimmtes Experiment: Stets aufs neue schießen sie kleine Partikel auf große, wobei die kleinen als Sonde die Zusammensetzung der großen erkunden sollen.

So experimentierte vor etwa zwanzig Jahren eine Gruppe von Physikern im kalifornischen Stanford. Drei Kilometer lang war der Beschleuniger, der Stanford Linear Accelerator (SLA), mit dessen Hilfe sie fast lichtschnelle Elektronen auf Wasserstoffatome schossen. Dafür haben Richard Taylor, Henry Kendall und Jerome Friedman jetzt den Nobelpreis für Physik erhalten. Sie konnten durch ihre Versuche die Existenz der theoretisch vorhergesagten Quarks nachweisen, aus denen Atomkerne bestehen.

Schon um 1910 führten Physiker am Institut von Ernest Rutherford im englischen Manchester das Beschießen von Atomen ein. Sie ließen sogenannte Alpha-Teilchen – positiv geladene Heliumkerne – auf Metallatome in einer dünnen Folie treffen. Die Resultate waren mit der damaligen Vorstellung vom Atom als einer weichen Kugel nur schwer zu vereinbaren. Viele der durch radioaktiven Zerfall erzeugten Alpha-Partikel wurden überhaupt nicht von ihrer Bahn abgelenkt, andere dagegen stark und manche sogar wie von einer Wand reflektiert.

Daraus entwickelte Rutherford, Nobelpreisträger der Chemie von 1908, die heutige Vorstellung, daß Atome größtenteils aus Leere bestehen: Eine Hülle negativ geladener Elektronen umgibt einen tausendfach kleineren, harten, positiv geladenen Kern, der praktisch die gesamte Masse des Atoms ausmacht und Alpha-Teilchen abprallen läßt wie Billardkugeln.

1966 ging der Beschleuniger in Stanford in Betrieb. In der Zwischenzeit hatten Forscher den Atomkern in noch kleinere Teile zerlegt. Demnach bestand der Kern aus positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen. Also ließen sich aus nur drei Bausteinen: Protonen, Neutronen und Elektronen (die Atomhüllen bilden) alle chemischen Elemente konstruieren. Damit hätten die Wissenschaftler eigentlich hoch zufrieden sein müssen. Doch leider stellte sich schon in den dreißiger Jahren heraus, daß sowohl Proton als auch Neutron unerklärlich starke Magnetfelder erzeugen.

Weil Magnetfelder nur durch bewegte Ladungen entstehen können, hätte das Neutron als ungeladene Partikel eigentlich überhaupt kein solches Feld haben dürfen. Folglich mußten selbst diese Kernteilchen (Nukleonen) eine innere Struktur besitzen; zumindest ungleichmäßig verteilte positive und negative innere Ladungen. Um diese Struktur zu untersuchen, war eine Teilchenkanone neuer Größenordnung nötig – der Stanford Linear Accelerator. Denn so wie immer intensiveres Licht notwendig ist, um immer kleinere Gegenstände unter einem optischen Mikroskop zu sehen, müssen in Analogie die Sonden der Teilchenphysiker immer energiereicher sein, je feiner das Muster gestrickt ist, das sie erkunden sollen.