Elementarteilchen in der Welt der Atome
EIN internationales Heer von Detektiven verfolgt die heiße Spur eines schwer faßbaren Täters, eines Meisters der Verstellung und des blitzschnellen Untertauchens. Hinweise gibt es genügend: Fingerabdrücke, Tatberichte und sogar Fotos. Die technische Ausrüstung der Verfolger wird ständig verbessert, doch der Gejagte „verdünnisiert“ sich immer geschickter.
Man hat es nicht etwa auf einen großen Boß abgesehen. Es geht um einen von den kleinen Fischen — ja um den kleinsten überhaupt. Die Detektive sind Atomforscher, und bei dem Fall handelt es sich um die Suche nach dem Elementarteilchen, dem Baustein des materiellen Universums.
Die Untersuchungen reichen mindestens bis ins 4. Jahrhundert v. u. Z. zurück, in dem griechische Philosophen über das Ergebnis wiederholter und fortlaufender Teilungen der Materie nachdachten. Sie kamen zu dem Schluß, daß das nicht ins Grenzenlose gehen könnte, sondern daß sich letzten Endes ein unteilbares Stück Materie ergeben müßte. Als Bezeichnung für dieses kleinste Stück Materie prägte der Philosoph Demokrit das Wort „Atom“. Heute, im 20. Jahrhundert, dagegen konzentrieren sich die Bemühungen darauf, herauszufinden, woraus das Atom seinerseits besteht.
Die ersten „Elementarteilchen“ gefunden
J. Thomson spürte im Jahre 1897 das Elektron auf. Er erkannte, daß elektrischer Strom aus einer Unzahl solcher Teilchen besteht. Die Elektronen sind so klein, daß in einer Sekunde 6 000 000 000 000 000 000 davon durch eine 100-Watt-Glühbirne fließen. Von allen Elementarteilchen am leichtesten faßbar, verhalten sich die Elektronen wie unbeständige Vagabunden, die sogar durch einfache Reibung von einer Stelle auf eine andere übertragen werden können. Wenn du über einen Teppich gehst, nehmen deine Schuhe Milliarden von Elektronen auf, die sich über deinen ganzen Körper verteilen, aber sich an deiner Fingerspitze sammeln und Hals über Kopf als Funke durch die Luft springen, sobald du deine Hand nach einem Lichtschalter ausstreckst.
Im Jahre 1911 zeigte Ernest Rutherford, daß sich die ganze positive Ladung des Atoms und der Großteil seiner Masse auf einen Bereich konzentrieren, der nur 1/10 000stel so groß ist wie das Atom selbst. Das ist die Grundlage für die populäre Vorstellung vom Atom, die die meisten von uns haben — im Mittelpunkt ein kleiner Kern, um den die Elektronen wie Bienen um einen Bienenstock herumschwirren.
1932 entdeckte man, daß der Kern aus Protonen und Neutronen besteht. Die Protonen tragen die positive Ladung des Atoms — sie ist genauso groß wie die negative Ladung des Elektrons, aber von gegensätzlicher Art. Das Proton hat ungefähr die 1 800fache Masse des Elektrons. Das entspricht etwa dem Verhältnis zwischen einem Kühlschrank und einem Keks. Das Neutron hat nur etwas mehr Masse als das Proton und trägt keine Ladung. In den 40er Jahren wurde durch Experimente und Theorien das Geheimnis um viele andere Teilchen, die im Kern eine Rolle spielen, gelüftet. Die Vorstellung, die die Wissenschaftler vom Atomkern hatten, wurde immer komplexer.
Fahndungsmethoden
Physiker können die Teilchen „sehen“, indem sie das untersuchen, was nach deren Wechselwirkung mit anderen Teilchen übrigbleibt. Diese Wechselwirkungen kann man mit dem Verhalten eines unartigen Kindes vergleichen, das in der Nachbarschaft eine unübersehbare Verwüstung verursacht, wenn es durch Blumenbeete rennt und Abfallbehälter umwirft. Nach einer Weile werden die Nachbarn diese „Hinterlassenschaft“ bemerken und den Missetäter ausfindig machen. Ein geladenes Teilchen, das seine atomare „Wohnung“ verlassen hat und in Fahrt ist, benimmt sich ähnlich wie ein herumtollendes Kind. Ihm fällt nichts Besseres ein, als andere Atome „anzurempeln“, ihre Elektronen zu verjagen und ausgeraubte, geladene Atome zurückzulassen.
Die Nebelkammer war eines der ersten Geräte, mit deren Hilfe man Teilchen nachweisen konnte. Geladene Teilchen hinterlassen in dieser Kammer Nebelspuren, da sich entlang ihrer Bahn Nebel um die beraubten Atome bildet, vergleichbar mit dem Kondensstreifen eines in großer Höhe fliegenden Düsenflugzeugs. Heute verwendet man vorzugsweise Blasenkammern, die mit einer überhitzten Flüssigkeit gefüllt sind, in der die Bahn des Teilchens durch eine Spur winziger Dampfblasen sichtbar wird.
Meister der Flucht
Die Teilchen bewegen sich mit enormer Geschwindigkeit fort. Das Photon, das Neutrino und das Graviton halten den größten Geschwindigkeitsrekord aller Zeiten. Sie haben keine Masse und bewegen sich daher mit der Geschwindigkeit des Lichts fort (300 000 km/s). Mit diesem Tempo könnten sie in einer Sekunde mehr als siebenmal die Erde umkreisen.
Teilchen, die Masse haben, können sich sehr schnell fortbewegen, aber können nie die Lichtgeschwindigkeit erreichen. Wenn beispielsweise ein Elektron den Atomkern mit einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit umkreist, tut es bereits sein Äußerstes. Seine Geschwindigkeit verhält sich im Vergleich zu der der schnellsten Teilchen wie die eines Autos auf einer Autobahn im Vergleich zu der eines Überschallflugzeugs.
Verwandlungskünstler
Jedes Teilchen hat eine bestimmte Lebensdauer. Elektronen und Protonen sind stabil, mit anderen Worten: Ihre Lebensdauer ist unendlich. Doch die meisten Teilchen „leben“ nur eine sehr kurze Zeit. Das Myon beispielsweise — ein Teilchen, das durch die Wechselwirkung kosmischer Strahlung mit der oberen Schicht der Atmosphäre entsteht — hat eine mittlere Lebensdauer von nur zwei millionstel Sekunden. Wenn es „stirbt“, entstehen an seiner Stelle plötzlich ein Elektron und zwei Neutrinos. Man könnte es mit einem Bankräuber vergleichen, der sich kurz nach dem Verlassen der Bank wie durch ein Wunder in drei Personen verwandelt, die in verschiedene Richtungen fliehen.
Diese plötzliche Veränderung der Identität ist für die Wissenschaftler kein geringes Problem bei der Erforschung kurzlebiger Teilchen. Ein Teilchen kann in ein paar millionstel Sekunden nach seiner Entstehung in zwei oder mehrere andere Teilchen zerfallen, die kleiner sind und sich ihrerseits wieder in verschiedene andere, kleinere Teilchen verwandeln können. Dieser Vorgang hält so lange an, bis stabile Teilchen entstehen. Doch warum sind das Elektron und das Proton die einzigen Teilchen mit Masse, die nicht zerfallen? Dafür sind die sogenannten Erhaltungssätze verantwortlich.
Erhaltungssätze
Einfach ausgedrückt, besagt ein Erhaltungssatz, daß in einem geschlossenen System die physikalischen Größen nach einer Zustandsveränderung die gleiche Summe haben wie vor der Zustandsveränderung.
Stell dir zur Veranschaulichung einen Tennisplatz mit vier Spielfeldern vor, der von einem hohen Zaun umgeben ist, um die Bälle aufzufangen. Zu Beginn des Spiels geben wir jedem Spielerpaar zehn gleiche Bälle und sagen allen, daß es nicht darauf ankommt, während des ganzen Spiels ausschließlich mit ihren zehn ursprünglichen Bällen zu spielen. Im Laufe der Zeit fliegt der eine oder andere Ball in ein Nachbarfeld und wird dann dort benutzt. Möglicherweise werden während des Spiels einige Bälle von jedem Spieler benutzt. Am Schluß sammeln wir die Bälle wieder ein. Wir erwarten, daß es genauso viele sind wie zu Anfang. Sollten es weniger sein, dann müßten wir schlußfolgern, daß einige über den Zaun geflogen sind, daß sie noch auf den Spielfeldern liegen oder von den Spielern mit nach Hause genommen wurden. Jede andere Erklärung erscheint unlogisch, denn Tennisbälle lösen sich nicht in Luft auf. Die Anzahl der Bälle bleibt „erhalten“.
Den Erhaltungssätzen unterliegen alle physikalischen Erscheinungen. Es gibt keinen Vorgang, der einen Erhaltungssatz verletzt. In der Welt der Elementarteilchen kennt man keine Gesetzesübertreter.
Das Elektron ist aufgrund der Erhaltung seiner Masse und seiner elektrischen Ladung stabil. Obwohl es das leichteste geladene Teilchen ist, gibt es leichtere Teilchen als das Elektron, die jedoch niemals eine elektrische Ladung annehmen. Wenn das Elektron in eines dieser leichteren Teilchen zerfallen würde, müßte es seine Ladung loswerden, doch das geht nicht, da es sonst das Gesetz von der Erhaltung der Ladung verletzen würde. Auch in schwerere geladene Teilchen kann es nicht zerfallen, da es sonst das Gesetz von der Erhaltung der Masse übertreten würde — schließlich kann man nicht einen 1-Pfund-Brotlaib zerschneiden und erwarten, Brotscheiben zu erhalten, die insgesamt zwei Pfund wiegen. Ein Elektron kann nicht zerfallen. Was sollte denn sonst aus ihm werden?
Das Proton ist stabil, da es, wenn es zerfallen würde, ebenfalls einen Erhaltungssatz übertreten würde. Das Neutron dagegen ist nur so lange stabil, wie es ein Proton hat, an das es sich anschmiegen kann. Ein Neutron braucht nur in „Einzelhaft“ zu geraten, und schon ist es nach etwa 15 Minuten zerfallen.
Kenneth Ford hebt in seinem Buch Die Welt der Elementarteilchen die Bedeutung der Erhaltungssätze wie folgt hervor: „Normalerweise zerfallen Elementarteilchen und wandeln sich dabei in leichtere Teilchen um. Aus noch nicht ganz bekannten Gründen gibt es zwei ,abnorme‘ Fälle, das Elektron und das Proton. Ihnen ist es verboten zu zerfallen. Unter diesem Gesichtspunkt betrachtet, werden wir ... einige Naturgesetze [Erhaltungssätze] kennenlernen, die den Zerfall der beiden Teilchen verbieten. Dieses Nichtzerfallen macht die Existenz einer materiellen Welt überhaupt erst möglich.
Da es nur ein einziges Universum und einen einzigen Satz von Naturgesetzen gibt, hat es eigentlich keinen Sinn, davon zu sprechen, daß ein Teilbereich dieses Gebäudes rein zufällig so sei. Aber in ähnlichen Situationen wie hier beim Nachdenken über die stabilen und instabilen Elementarteilchen, fand der Mensch sich immer in der Geschichte der Naturwissenschaften, angefangen bei Kopernikus, und er fühlt wohl, wenn er ehrlich ist, mehr und mehr Bescheidenheit angesichts des Aufbaus dieser Welt. Wir alle und die ganze Welt existieren nur dank gewisser Erhaltungssätze, die einige wenige Elementarteilchen stabilisieren und die es so erlauben, daß sich auf dem Chaos der submikroskopischen Welt ein geordnetes Ganzes aufbaut.“
Dank Erhaltungssätzen das „Neutrino“ vorausgesagt
Bei der Erforschung subatomarer Teilchen schienen die ersten Experimente darauf hinzudeuten, daß der Zerfall des Neutrons die Erhaltungssätze verletzt. Den Forschern fiel auf, daß nach dem Zerfall des Neutrons in ein Proton und ein Elektron der verbliebene Impuls und die Energie wesentlich geringer waren als vor dem Zerfall. Das schien jedoch den Erhaltungssätzen zu widersprechen. Diese Schlußfolgerung mochte den Atomphysikern nicht einleuchten.
Um die Erhaltungssätze zu retten, setzten die Theoretiker die Existenz eines Teilchens voraus, das sie als Neutrino bezeichneten und dem sie alle Eigenschaften zuschrieben, die nötig waren, um es zu einem unteilbaren Partner im Zerfallvorgang des Neutrons zu machen. Man konnte es nicht „sehen“, aber die Vermutung seiner Existenz war darauf zurückzuführen, daß die Wissenschaftler den Erhaltungssätzen Glauben schenkten, die sich ja bis dahin bewährt hatten.
Nachdem die Wissenschaftler 25 Jahre lang an die Existenz des Neutrinos geglaubt hatten, bekamen sie es im Jahre 1956 zu fassen. Kein Wunder, daß es ihnen immer entronnen war! Es trägt keine Ladung, hat augenscheinlich keine Masse und bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit fort. Neutrinos treten mit Materie so selten in Wechselwirkung, daß die meisten von ihnen durch den ganzen Erdball fliegen können, ebensoleicht wie ein Geschoß durch Seidenpapier. Bei einem Versuch, die Existenz des Neutrinos zu bestätigen, schickten Wissenschaftler 100 000 000 000 000 Neutrinos durch eine 13 m dicke Eisenwand. Mit Hilfe eines Zählgeräts konnten sie feststellen, daß nur 29 Neutrinos nicht durchgekommen waren. Das ist etwa so, als würde man die gesamte Weltbevölkerung durch einen kleinen Raum schleusen, in dem eine Personenwaage steht, und würde dann feststellen, daß sie nicht mehr als 100 g anzeigt.
Einteilungsschema
Bis zum Jahre 1960 hatte man so viele Teilchen entdeckt, daß sich die Wissenschaftler wie ein schiffbrüchiger Zoologe vorkamen, der auf einer Insel gestrandet ist und auf einmal eine Unzahl ihm völlig unbekannter Tiere vor sich sieht. Um in den „Elementarteilchen-Zoo“ etwas Ordnung zu bringen, teilten die Physiker die Teilchen je nach ihren Ähnlichkeitsmerkmalen in Gruppen ein — so wie der gestrandete Zoologe die verschiedenen Tiere in Säugetiere, Reptilien, Vögel usw. einteilen würde.
Schwerere Teilchen bezeichnet man als Hadronen. Besonders schwere Hadronen werden Baryonen genannt. Die Baryonen (z. B. Protonen und Neutronen) sind die „Elefanten“ des subatomaren „Teilchen-Zoos“. Leichtere Hadronen bezeichnet man als Mesonen (z. B. Pionen und Kaonen); sie haben eher „Tigergröße“. Die Leptonen (Elektronen, Myonen und Neutrinos) sind die „Insekten“ des „Teilchen-Zoos“.
Eigentlich richtet sich die Einteilung nicht nach Größe und Gewicht, sondern nach der Wahrscheinlichkeit von Wechselwirkungen zwischen den Angehörigen jeder Gruppe. Elefanten verhalten sich ihren Artgenossen gegenüber anders als Insekten gegenüber. Insekten und Elefanten nehmen gar keine Notiz voneinander, es sei denn, ein Elefant verspeist ein Blatt, an dem sich bereits ein Insekt gütlich tut. Zwischen den elefantenartigen Hadronen besteht die sogenannte starke Wechselwirkung. Die insektenartigen Leptonen werden von der starken Wechselwirkung überhaupt nicht berührt. Was kümmert es schon einen Grashüpfer, daß sich zwei Elefanten streiten? Geladene Leptonen sprechen jedoch auf die elektromagnetische Wechselwirkung an und verhalten sich den Hadronen gegenüber so, wie es die für diese Art Wechselwirkung geltenden Gesetze vorschreiben. Schließlich müssen ja auch der Grashüpfer und der Elefant voneinander Notiz nehmen, wenn sich ersterer auf dem Augapfel des letzteren niederläßt.
Gibt es ein noch „elementareres“ Teilchen?
Seit der Mensch ins Atom vorgedrungen ist, hat man etwa 300 Teilchen, meist Hadronen, entdeckt. Die Leptonen scheinen wirklich „elementar“ zu sein, d. h., sie haben keine erkennbare Größe und anscheinend keine innere Struktur. Zudem gibt es nur sechs bekannte Leptonen — eine kleine Zahl, die auf Einfachheit schließen läßt. Die Hadronen dagegen sind nicht so einfach. Sie existieren in großer Zahl und haben eine meßbare Größe. Wenn ein Hadron zerfällt, entstehen andere Hadronen an seiner Stelle.
In den 60er Jahren schufen M. Gell-Mann und G. Zweig die Vorstellung von einem neuen Teilchen, dem Quark. Ihre Theorie besagte, daß alle Hadronen aus zwei oder drei miteinander kombinierten Quarks bestehen. Diesen Quarks schrieben sie bestimmte Eigenschaften zu. Dadurch gelang es ihnen, alle bekannten Teilchen des Atomkerns (Hadronen) auf nur drei verschiedene Quarks zurückzuführen, die die Bezeichnung „up“, „down“ und „strange“ tragen. Ein Vorzug der Theorie bestand darin, daß die Existenz eines vorher unbekannten Teilchens vorausgesagt werden konnte, das daraufhin hergestellt wurde und die erwarteten Eigenschaften aufwies. Das trug entscheidend zur Anerkennung dieser Theorie bei. Neuere Experimente lassen das Vorhandensein von drei weiteren Quark-Typen vermuten, die als „charmed“, „truth“ und „beauty“ bezeichnet werden.
Bis jetzt sind noch keine einzelnen Quarks eindeutig ermittelt worden. Manche meinen, man werde nie ein Quark isolieren können. Atomphysiker betrachten die Quarks jedoch als feste theoretische Grundlage. Ähnlich wie im Fall des Neutrinos glauben die Wissenschaftler an ihre Existenz, ohne daß sie sie sehen, denn sie helfen ihnen, vorauszusagen, wie sich bereits entdeckte Teilchen des Atoms unter bestimmten Bedingungen verhalten werden.
Wird die zur gegenwärtigen Theorie gehörende Zahl von Quarks auch für noch zu entdeckende Teilchen eine Erklärung ermöglichen? Werden noch mehr Quarks enthüllt werden? Wird man jemals ein Quark isolieren können? Sind die Quarks wirklich die „elementarsten“ Teilchen des Atomkerns? Wenn nicht, woraus besteht dann ein Quark?
„Woraus besteht es?“ ist eine Frage, die wahrscheinlich nie vollständig beantwortet werden wird. Jedesmal, wenn man in der Erforschung der Materie wieder einen Schritt vorangekommen ist, scheint das sogenannte „Elementarteilchen“ aus etwas noch Einfacherem zu bestehen. (Neuerdings sind sogenannte „Gluonen“ im Gespräch.) Wird die Suche jemals aufhören? Es mag sein, daß unsere Neugier nie völlig befriedigt wird. Für manche ist dieser Tatbestand eher abenteuerlich als entmutigend. Sie empfinden so wie der christliche Apostel Paulus: „O Tiefe des Reichtums und der Weisheit und der Erkenntnis Gottes! Wie unerforschlich sind seine Gerichte und unausspürbar seine Wege!“ (Röm. 11:33).