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Titelthema: Subatomare Strukturen: Das Innenleben der Quarks

Quarks und Leptonen besitzen weder Ausdehnung noch Struktur – so lehrt es das Standardmodell der Teilchenphysik. Doch es gibt Hinweise, dass es auch anders sein könnte. Vielleicht stößt der Beschleuniger LHC schon bald in eine verborgene Welt noch kleinerer Partikel vor.
Innenleben der Quarks

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist eine der erfolgreichsten Theorien, die je entwickelt wurden. Gerade einmal eine Hand voll Prinzipien vereinten die Physiker zu einem sich durch seine Einfachheit auszeichnenden Modell, das alle bekannten Elementarteilchen im Universum sowie die meisten Wechselwirkungen zwischen ihnen beschreibt. Im Wesentlichen postuliert es, dass zwei Arten nicht teilbarer Materieteilchen existieren: Quarks und Leptonen, beide in unterschiedlichen Varianten. Quarks kennt man als Bausteine von Protonen und Neutronen, ein Beispiel für Leptonen sind die Elektronen. Durch die richtige Kombination von Leptonen und Quarks lässt sich jedes Atom und somit auch jegliche Materie im Universum hervorbringen.

Außerdem wirken vier fundamentale Kräfte. Zwei davon sind uns sehr vertraut, nämlich die Gravitation und die elektromagnetische Wechselwirkung. Hinzu kommen die weniger bekannte starke sowie die schwache Kernkraft. Die drei letztgenannten Kräfte beschreiben Physiker mathematisch durch den Austausch so genannter Bosonen. Versuche, auch die Gravitation in dieses Modell einzubeziehen, sind allerdings sämtlich gescheitert. Auch weitere Antworten bleibt das Standardmodell schuldig: Wieso gibt es ausgerechnet vier Kräfte und nicht mehr oder weniger? Und warum existieren gerade zwei verschiedene Sorten fundamentaler Teilchen und nicht nur eine?

Zweifellos wichtige Fragen. Doch mich und auch viele meiner Physikerkollegen fasziniert schon seit langer Zeit ein ganz anderes Rätsel. Es gibt Indizien, dass Quarks und Leptonen, die im Standardmodell als punktförmig und unteilbar gelten, aus noch kleineren Komponenten aufgebaut sein könnten. Falls dies tatsächlich der Fall ist, falls Quarks und Leptonen also nicht wirklich fundamental sind, stünde dem Standardmodell eine grundlegende Überarbeitung ins Haus. Ebenso wichtig wären wohl die praktischen Konsequenzen. So wie es vor Ernest Rutherfords Entdeckung der Struktur des Atoms im Jahr 1911 undenkbar war, die Kernenergietechnik zu entwickeln, so brächte wohl auch die Entdeckung einer tieferen Ebene der Materie völlig Neues mit sich. Doch gibt es diese Ebene wirklich? ...

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  • Literaturtipp

Lincoln, D.: Die Weltmaschine: Der LHC und der Beginn einer neuen Physik. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2011