Hätten Sie gedacht, dass nur 18 verschiedene Teilchen existieren, aus denen sich das gesamte Universum zusammensetzt? Eine Reise durch den Mikrokosmos

Unser Universum ist extrem komplex. Ferne Galaxien bis hin zu den Mikrostrukturen auf unserem eigenen Planeten offenbaren, je genauer wir hinsehen, nicht enden wollende Details, die scheinbar aus einer entsprechenden Fülle von Mikroelementen erwachsen. Doch dieser Komplexität steht ein minimal ausgestatteter Teilchenkosmos gegenüber. Tatsächlich sind es nicht mehr als 18 verschiedene Bausteine, aus denen sich die beobachtbare Welt zusammensetzt: sechs Quarks, sechs Leptonen und sechs Kraftteilchen oder Bosonen.

© Kristin Riebe
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernStandardmodell der Elementarteilchen
Die Bausteine der Materie (links) lassen sich in Quarks und Leptonen einteilen. Zu letzteren gehören auch die Elektronen und ihre Partner. Quarks und Leptonen besitzen einen halbzahligen Spin (dargestellt durch kurze Pfeile) und werden darum auch als Fermionen bezeichnet. Zwischen all diesen Teilchen werden Kraftteilchen (Bosonen, hier rechts) ausgetauscht, deren Spin ganzzahlig ist (lange Pfeile). Manche Teilchen sind positiv, andere negativ geladen und dritte neutral.
Dass man diese fundamentalen Bausteine zu "Familien" zusammenstellen und im Rahmen des "Standardmodells der Elementarteilchenphysik" mathematisch beschreiben kann, ist eine Errungenschaft der vergangenen Jahrzehnte. In den 1960er Jahren war der Zoo der Elementarteilchen noch ein unüberschaubares Gelände. Er war bevölkert mit – so wirkte er jedenfalls auf die Forscher – geradezu beliebig vielen und beliebig mit Masse, Ladung und anderen Quanteneigenschaften ausgestatteten Teilchen.

Ordnung kam erst ins Chaos, als Physiker entdeckten, dass die Elementarteilchenwelt bestimmten Symmetrien unterworfen ist. Aus dieser Erkenntnis lassen sich nämlich Strukturen ableiten, in denen man die Partikel nach bestimmten Kriterien anordnen kann – Ordnungsprinzipien, die in mancher Hinsicht dem Periodensystem der Elemente aus der Chemie ähneln. Unter anderem lassen sich die Teilchenfamilien danach klassifizieren, welchen Kräften sie gehorchen – und gegen welche sie gewissermaßen immun sind. In unserem Universum existieren glücklicherweise nur vier dieser Kräfte, was die Ordnung erleichtert: die Gravitation, der die Materie folgt, die elektromagnetische Kraft, die auf elektrische Ladungen wirkt, die starke Kraft, die zum Beispiel Atomkerne zusammenhält und schließlich die schwache Kraft, die etwas weniger bekannt ist und beispielsweise beim Beta-Zerfall, also dem Zerfall eines Atomkerns, zum Tragen kommt.

1. Familie: Die Quarks – "Bausteine der Materie"

Die erste wichtige Familie, eine sechsköpfige Schar, besteht aus den Quarks. Sie interagieren über die starke Kraft und man bezeichnet sie als up und down, strange und charm, top und bottom – oder kürzer als u und d, s und c, t und b. Sie sind die wesentlichen Bausteine der Materie, wie wir sie kennen. Denn aus Quarks setzen sich die Atomkerne zusammen (ein Proton beispielsweise besteht aus zwei up-Quarks und einem down-Quark) und aus diesen Kernen wiederum besteht der Großteil der sichtbaren Materie. Hinzu kommen dabei nur noch die Elektronenwolken, von denen die Kerne umgeben sind. Zur Massenbilanz tragen sie aber praktisch nichts bei.

© Kristin Riebe
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernQuarks in Massen
Mit Hilfe der Quantenfeldtheorie lassen sich die Massen der Quarks (in der Energieeinheit Megaelektronvolt) abschätzen. Sie einzeln zu messen, ist aufgrund des confinements (Quarks lassen sich nicht isolieren, also auch nicht einzeln beobachten) unmöglich.
Jetzt müssen allerdings doch ein paar weitere Extrateilchen erwähnt werden. Sie machen die Angelegenheit aber nicht viel komplizierter. Zu jedem Quark existiert nämlich auch ein Antiquark, beispielsweise gehört zu einem up-Quark also ein Anti-up-Quark. Die Antiquarks entsprechen dem jeweiligen Quark aber in allen Eigenschaften bis auf eine: Sie tragen entgegengesetzte Ladung.

Zwei Sorten von Teilchen lassen sich aus Quarks zusammensetzen: Mesonen und Baryonen. Während Mesonen aus je einem Quark und einem Antiquark bestehen, sind Baryonen wie auch das schon erwähnte Proton aus drei Quarks aufgebaut. Überraschenderweise sind aus Quarks zusammengesetzte Teilchen schwerer als die Summe ihrer Quarkmassen. (Die Massen solcher Teilchen misst man übrigens in Energieeinheiten, also in Megaelektronvolt.) So wiegt das Proton nicht knapp zehn Megaelektronvolt, wie man aus den Einzelmassen seiner Quarks schließen würde, sondern 937 Megaelektronvolt! Diese Diskrepanz ist eine Folge der komplexen Interaktion zwischen den Quarks und dem sie umgebenden Vakuum. Dabei treten nämlich verschiedene Energiebeiträge auf, die gemäß Einsteins Masse-Energie-Äquivalenz die Masse des Protons deutlich erhöhen. Dennoch kann man grob abschätzen, dass ein Baryon umso schwerer ist, je mehr schwere Quarks es beinhaltet.

Nun lassen sich beispielsweise die leichten Baryonen, die jeweils drei der leichtesten Quarks u, d und s jeweils drei enthalten, nach ihren Massen anordnen. Dabei entstehen so genannte Dekupletts (lat. decuplus: "zehnfach"). Diese Diagramme beinhalten alle Kombinationen von je drei Quarks, also insgesamt 10 Teilchen, die entsprechend ihrer Masse von oben nach unten angeordnet und mit griechischen Buchstaben bezeichnet sind.

© Kristin Riebe
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernBaryonen und die Materie der Welt
Die leichten Hadronen (im Bild mit griechischen Buchstaben und weiteren Indizes symbolisiert) setzen sich aus den drei leichtesten Quarks zusammen – dem up, down und strange. Je mehr strange-Quarks die Teilchen enthalten, umso schwerer sind sie. Die schwersten von ihnen sind unten im Diagramm, die leichtesten oben zu finden. Die Zahlen an den Achsen weisen auf weitere systematisierende Quantenzahlen wie den Isospin (I3) und die Hyperladung (Y) hin.
In diesem Dekuplett zeigen die hier nicht dargestellten Spins aller Teilchen, also deren innerer Drehimpuls, in dieselbe Richtung, also beispielsweise alle nach oben. Wäre das nicht so, so hieße das Teilchen mit dem Quarkinhalt (uud) in der obersten Reihe nicht Δ+, sondern wäre schlicht das Proton. Letzteres besteht ebenfalls aus der Kombination (uud), die Spins seiner Quarks zeigen aber in verschiedene Richtungen. Besitzt ein Teilchen parallele Spins, besitzt es auch mehr mehr Energie – und ist es dann auch noch stabil, so gibt man diesem energetisch höheren Zustand (wie hier dem Δ+) sogar einen eigenen Namen.

Zu erwähnen ist auch, dass jedes einzelne der Quarks in den drei "Farben" rot, grün und blau auftritt. Dies sind Bezeichnungen für die so genannte "starke Ladung", auf die die starke Kraft einwirkt. So wie man im Elektromagnetismus über "positive" und "negative" Ladung spricht, so spricht man bei der starken Kraft über "Farben". Jedes Kompositteilchen muss nach außen allerdings farbneutral auftreten. Dabei wird das Analogon additiver Farbmischung verwendet: Ein Proton könnte sich also beispielsweise aus einem "grünen" up, einem "blauen" up und einem "roten" down-Quark zusammensetzen.

2. Familie Die Leptonen – "Brüder des Elektrons"

Neben den sechs Quarks, die über die starke Kraft wechselwirken, existieren sechs weitere fundamentale Bausteine. Diese werden Leptonen genannt und wechselwirken vor allem über die elektromagnetische Kraft. Zu den Leptonen gehört das Elektron ebenso wie seine zwei unbekannteren und schwereren Geschwister, das Myon und das Tauon: ε, μ und τ.

© Kristin Riebe
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernLeptonen
Das Elektron und seine zwei "Brüder" zeigt die untere Reihe. Oben sind ihre jeweiligen superleichten Begleiter, die Neutrinos zu finden.
Elektron, Myon und Tauon sind negativ geladen. Bis auf ihre größeren Massen sind Myon und Tauon mit dem Elektron auch identisch. Zu jedem dieser drei Leptonen gehört ein winziger, leichter Begleiter: ein Elektronneutrino, ein Myonneutrino und ein Tauneutrino, jeweils als ν mit einem entsprechenden Index symbolisiert. Das Tauneutrino ist das schwerste von ihnen, bleibt aber dem Elektron gegenüber trotzdem noch ein Wicht. Das leichteste Teilchen des ganzen Teilchenzoos ist hingegen das Elektronneutrino. Es wechselwirkt außerdem kaum mit anderen Teilchen, so dass es durch Materie einfach hindurch fliegt. Hier auf der Erde passieren Milliarden von Neutrinos pro Sekunde und Quadratzentimeter unsere Haut und unseren Körper, ohne dass wir sie bemerken würden.

Das Neutrino ist ein scheuer Zeitgenosse

Weil das Neutrino so ungern wechselwirkt, konnte man es übrigens lange Zeit gar nicht detektieren. Dabei hatten die Forscher seit 1933 nach ihm gefahndet. Als nämlich der Physiker Wolfgang Pauli festgestellt hatte, dass beim Beta-Zerfall von Atomkernen scheinbar Energie verloren ging, vermutete er, dass diese auf ein kleines Teilchen übertragen wurde, das in der Reaktion entstand, aber unbeobachtbar blieb. In der Tat mussten die Physiker viel Aufwand betreiben, bis sie es 1956 endlich entdeckten.

Der Nachweis des Neutrinos bleibt bis heute kompliziert. Das 1996 begonnene Projekt "Super-Kamiokande" beispielsweise benötigt dafür einen riesigen Wassertank in einem Kilometer Tiefe unter der Erde. 50 000 Tonnen Wasser warten dort auf Neutrinos, die die dicken Felsschichten mühelos durchqueren, dann aber im Tank eine Reaktion auslösen und so detektiert werden.

Modell des Kamiokande-Neutrinodetektors
© Jnn / Kamiokande / CC BY 2.1 JP CC BY
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernModell des Kamiokande-Neutrinodetektors
Der Vorgänger des Super-Kamiokande befand sich in der Nähe der japanischen Gemeinde Hida. Sein Tank umfasste 3000 Tonnen hochreinen Wassers.
Ihre Abneigung gegenüber Wechselwirkungen lässt Neutrinos eine Ausnahmestellung einnehmen. Der Rest des Teilchenzoos hingegen interagiert auf verschiedenste Weise und dies deutlich spürbar – nur deswegen beobachten wir überhaupt komplexere Strukturen im Universum. Die Überträger dieser Interaktionen weden Bosonen oder Kraftteilchen genannt und repräsentieren die dritte wichtige Klasse von Teilchen im Universum.

Die Wechselwirkungs-Boten (Bosonen)

© Kristin Riebe
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernBosonen
Kräfte werden von Teilchen übertragen, von denen das Photon (hier mit γ abgekürzt) als Träger der elektromagnetischen Kraft das prominenteste ist. Bekannt sind aber auch das bislang experimentell noch nicht eindeutig nachgewiesene Graviton (hier daher nicht dargestellt), das die Gravitationskraft überträgt, und das W+, W- und Z0 für die schwache Kraft. Hinzu kommen schließlich noch die acht Gluonen (g) für die starke Kraft, die aber als eine einzige Teilchenart gelten.

Genau diese 18 Teilchenarten sind es also, aus denen sich alle weiteren Partikel und alle beobachtbare Materie des Universums zusammensetzen – und mehr solcher fundamentalen Elementarteilchen scheint es nicht zu geben. Dies ist eine Konsequenz fundamentaler Symmetrien, die dem Mikrokosmos zugrunde liegen. Als noch nicht alle Teilchen bekannt waren, sagte die Gruppentheorie, die diese Symmetrien beschreibt, noch einige weitere Partikel voraus, die auch tatsächlich gefunden wurden. Danach aber schien die Teilchenwelt vollständig, so sehr man auch weitersuchte.

Das Standardmodell der Elementarteilchen ist gut motiviert und bislang nicht falsifiziert, so dass Physiker ihm großes Vertrauen entgegenbringen und nun tatsächlich nicht mehr mit Neuentdeckungen (mit Ausnahme des noch nachzuweisenden Higgs-Bosons) im diesem niedrigenergetischen Bereich der Elementarteilchen rechnen. Wer das genauer verstehen will (oder glaubt, da müsse sich trotz allem noch etwas finden lassen), muss sich allerdings in die dazugehörige Mathematik einarbeiten – und das lässt sich guten Gewissens dann doch nur ganz eingefleischten Elementarteilchenfans empfehlen.

Vera Spillner