DER STOFF, AUS DEM ATOME SIND

Vor 40 Jahren traten die Quarks ins Weltbild der Physiker. Mit riesigen Teilchenbeschleunigern und aufwendigen Experimenten rücken diese seither den scheuen Teilchen im Innersten der Atome zu Leibe. Doch die Quarks geben den Forschern noch viele Rätsel auf. Nur selten öffnet sich das Tor zur Hamburger Unterwelt. Dann nutzen die Wissenschaftler und Techniker am DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) eine kurze Unterbrechung des Betriebs im Beschleunigerring HERA, um die Instrumente und technischen Geräte der Anlage zu prüfen und zu warten. Wer eine dieser raren Gelegenheiten nutzt, um rund 30 Meter tief unter die Erde im Stadtteil Bahrenfeld hinabzusteigen, findet sich in einem kaum überschaubaren Wirrwarr aus unzähligen Kabeln, Rohrleitungen und fremdartig anmutenden Maschinen wieder. Mitten durch dieses Knäuel aus technischem Equipment ziehen sich – umgeben von etlichen supraleitenden Magneten – zwei etwa armdicke Metallröhren. Sie reichen durch den gesamten über 6,3 Kilometer langen kreisrunden Tunnel der Hadron-Elektron-Ring-Anlage (HERA), die sich unter dem Hamburger Volkspark, der AOL-Arena und der Trabrennbahn Bahrenfeld erstreckt. Ist die Anlage in Betrieb, drehen in den beiden evakuierten Röhren Abermilliarden von subatomaren Teilchen im Eiltempo ihre Runden: Elektronen und Protonen flitzen mit über 99,9 Prozent der Lichtgeschwindigkeit in entgegengesetzten Richtungen im Kreis. Fast 50 000-mal pro Sekunde umlaufen sie den Tunnelring, während sie von starken elektromagnetischen Feldern beschleunigt – und dadurch mit immer mehr Energie vollgepumpt – werden. Mehrere Stunden rasen die beiden Teilchenströme durch die Ringe, während ständig Elektronen und Protonen in einer Kollisionskammer frontal aufeinander krachen. Umgeben ist der Ort der Teilchen-Karambolage von haushohen Detektoren, in denen die Produkte der Kollision ihre verräterischen Spuren wie einen Fingerabdruck hinterlassen. Die Bruchstücke der beim Zusammenprall zertrümmerten Protonen, die aus ihrer Bahn geworfenen Elektronen und eine Schar von neuen Partikeln, die aus der Energie der kollidierenden Teilchen geboren wurden, erlauben es den Physikern, mit Hilfe komplizierter Auswerteverfahren herauszulesen, was bei dem Crash geschehen ist. Daraus schließen die Forscher, was sich in den kollidierten Partikeln verbirgt und welche Kräfte dort wirken. Das besondere Interesse der Forscher gilt dabei den Quarks – den innersten Bestandteilen der Atomkerne. „So weit wir heute wissen, sind die Quarks punktförmige, also wirklich elementare Teilchen, die sich im Inneren von Protonen und Neutronen verbergen”, sagt Prof. Joachim Meyer, Physiker am DESY und an der Universität Hamburg. Bis vor etwa 40 Jahren glaubten die Physiker, die Nukleonen Proton und Neutron – die Bausteine der Atomkerne – seien selbst elementar, also nicht in noch kleinere Komponenten teilbar. Nach dem einfachsten heute anerkannten Modell setzt sich jedes Nukleon jedoch aus drei Quarks zusammen: Das Proton enthält ein Down- und zwei Up-Quarks, das Neutron besteht umgekehrt aus einem Up- und zwei Down-Quarks. Insgesamt existieren sechs verschiedene Sorten von Quarks – die „ Geschmacksrichtungen” Up, Down, Strange, Charme, Bottom und Top. Ihren ersten Auftritt auf der Bühne der Physik hatten die Quarks vor rund 40 Jahren als abstraktes, theoretisches Gedankengebäude, das geboren wurde aus der Not eines immer größer und unübersichtlicher werdenden Zoos von Elementarteilchen. Vor allem in den fünfziger Jahren hatten die Experimentatoren nach und nach eine ganze Flut von unterschiedlichen Teilchen aufgespürt. Anfang der sechziger Jahre, als bereits mehr als 200 scheinbar elementare Partikel bekannt waren, begannen einige Physiker damit, nach einem Schema zu suchen, mit dem sich der chaotisch anmutenden Teilchenzoo nach simplen mathematischen Prinzipien ordnen ließ. 1964 entwickelten Murray Gell-Mann vom California Institute of Technology in Pasadena und George Zweig vom Los Alamos National Laboratory das Quark-Modell. Ihre Idee: Die Hadronen – eine Gruppe von Teilchen, zu der auch die Nukleonen Proton und Neutron gehören – sollten in Wirklichkeit nicht elementar, sondern aus noch kleineren Teilchen aufgebaut sein. Sie sollten dem Modell zufolge eine positive elektrische Ladung in der Größe von zwei Dritteln oder eine negative Ladung von minus einem Drittel der Elementarladung des Elektrons tragen und zudem andere, recht sonderbar anmutende Eigenschaften besitzen, beispielsweise eine so genannte Strangeness (Seltsamkeit). Als Name für die ominösen Partikel prägte Gell-Mann den Begriff „Quarks”. Der bestechende Vorteil dieses Modells: Mit ihm ließ sich die verwirrende Vielfalt der Teilchen auf sehr elegante Weise zurechtrücken und auf wenige elementare Bausteine zurückführen. Die bis dato bekannten Hadronen teilte das Quark-Modell in zwei Gruppen ein: Baryonen, zu denen auch die Kernbausteine Protonen und Neutronen zählen, bestehen aus drei Quarks, die Mesonen setzen sich aus je einem Quark und einem Antiquark zusammen. Der Haken an der Sache: Es war noch in keinem Experiment jemals ein Teilchen entdeckt worden, das die den Quarks zugeschriebenen Eigenschaften, etwa eine drittelzahlige elektrische Ladung, besessen hätte. Daher galt das Quark-Modell jahrelang lediglich als eine sehr geschickte mathematische Konstruktion. Das änderte sich erst 1968, als Physiker am Stanford Linear Collider (SLAC) in Kalifornien eine erstaunliche Entdeckung machten: Sie ließen Elektronen auf ruhende Protonen prallen und stellten dabei fest, dass das Muster, nach dem die Teilchen dabei in verschiedenen Richtungen gestreut wurden, nicht zu dem passte, was bei der Vorstellung vom Proton als homogenem Gebilde ohne innere Struktur zu erwarten gewesen wäre. Aus den Messergebnissen schlossen die Wissenschaftler: Im Inneren des Protons müssen sich weitere Teilchen befinden, die später als die von Gell-Mann und Zweig postulierten Quarks identifiziert wurden. Den endgültigen Durchbruch für das Quark-Modell brachte eine unter Physikern als „Novemberrevolution” bekannte Entdeckung: Im November 1974 stießen Forscher um Samuel Ting am amerikanischen Brookhaven National Laboratory und Burton Richter am SLAC auf die Spuren eines Teilchens, das nicht in das Quark-Schema von Gell-Mann und Zweig zu passen schien. Dieses beruhte ausschließlich auf Up-, Down- und Strange-Quarks – den Quarks, aus denen die gesamte Materie, die uns umgibt, aufgebaut ist. Der Neuling war rund dreimal so schwer wie ein Proton oder Neutron, seine Lebensdauer war aber weitaus größer als die von anderen bereits bekannten ähnlich schweren Teilchen. Es zeigte sich, dass das Partikel eine bis dahin nicht nachgewiesene Art von Quarks enthielt: Charme-Quarks, deren Existenz kurz zuvor bereits Sheldon Glashow von der Harvard University vorhergesagt hatte. Später konnten nach und nach auch die übrigen der heute bekannten sechs Quarksorten experimentell gefunden werden – als letztes das Top-Quark, das von allen Quarks die größte Masse besitzt. Es ging Forschern am Fermilab bei Chicago 1995 ins Netz. Doch auch nachdem alle Quarks aufgespürt sind, suchen Wissenschaftler weltweit weiter eifrig nach ihren Spuren und Eigenschaften – zum Beispiel am DESY-Beschleunigerring HERA. Er ging 1992 in Betrieb und ist seitdem mehrmals ausgebaut und mit einer höheren Leistungsfähigkeit ausgestattet worden. „HERA ist eine der wichtigsten Anlagen, um tief ins Herz der Materie zu blicken”, schwärmt der Hamburger Physiker Meyer, der mit seinem Team an dem Beschleuniger forscht. „Das Interesse der Wissenschaftler an den Quarks ist ungebrochen, da diese jüngsten Mitglieder der Elementarteilchen-Familie nach wie vor viele Rätsel aufgeben”, sagt Meyer. Ein großes Mysterium ist das „ Confinement”, der Einschluss der Quarks. „Bis heute ist es nicht gelungen, ein einzelnes freies Quark zu sehen”, stellt Meyer fest. Der Nachweis dieser Teilchen geht stets indirekt vonstatten: Aus den Spuren anderer Teilchen, die sich aus mehreren Quarks gebildet haben, schließen die Physiker darauf, dass bestimmte Quarks an einer Teilchenreaktion beteiligt gewesen sein müssen. Sie selbst entziehen sich den Blicken der Wissenschaftler, indem sie sich stets so zusammenlagern, dass andere Teilchen aus ihnen entstehen. Die Ursache dafür, dass sich die scheuen Quarks offenbar niemals ohne Begleitung eines oder mehrerer Partner zeigen, liegt in den besonderen Eigenschaften der Starken Kraft, die auf die Quarks wirkt. Sie ist – neben Gravitation, Elektromagnetischer und Schwacher Kraft – eine der vier bekannten grundlegenden Kräfte, die das Verhalten aller Materie bestimmen. „Anders als die übrigen drei Kräfte nimmt die Stärke der Starken Kraft bei zunehmender Entfernung nicht ab”, erklärt Meyer. Das bedeutet: Wenn man versucht, zwei Quarks – die zum Beispiel in einem Proton aneinander gebunden sind – zu trennen, muss man unaufhörlich Kraft aufwenden, um die Distanz zwischen den Partikeln zu vergrößern. Die Energie, die in dem Quark-Paar steckt, wird dadurch immer größer und erreicht irgendwann einen Wert, der ausreicht, um durch Umwandlung von Energie in Masse ein neues Quark-Antiquark-Paar quasi aus dem Nichts zu erzeugen. Die Folge: Aus zwei mach’ vier. Statt eines Quark-Paars hat man zwei Paare, und das Spiel mit der – erfolglosen – Trennung kann wieder von vorne beginnen. „Die Quarks befinden sich in einer Art Gefängnis, dem sie, egal wie sie es auch anstellen mögen, niemals entfliehen können”, sagt DESY-Forscher Meyer. Eine Tatsache, die zwar seit der Entdeckung der Quarks durch alle Experimente immer wieder bestätigt wurde, die aber bisher nicht durch Berechnungen auf der Basis physikalischer Modelle erklärt werden konnte. Diese Nuss zu knacken, ist eine Herausforderung vor allem für die Theoretischen Physiker. Dass die Quarks auch in Experimenten immer noch für Überraschungen gut sind, stellten sie im Sommer 2003 unter Beweis. Da gelang es Forschern in Japan durch den Beschuss von Neutronen mit energiereicher Gamma-Strahlung so genannte Pentaquarks herzustellen: eine Art von Teilchen, die aus fünf Quarks besteht und zuvor noch nie beobachtet worden war. „Bisher kannte man nur Baryonen aus drei und Mesonen aus zwei Quarks”, betont Joachim Meyer, der selbst mit seinem Team am DESY nachlegte und im März dieses Jahres über Anzeichen eines neuen Pentaquark-Systems berichtete, das ein schweres Charm-Antiquark enthält. „Mit den Pentaquarks tut sich eine neue Physik auf”, schwärmt er – und es gibt jede Menge Arbeit für die Physiker. Denn weder über die Art der Bindung der Teilchen noch über deren Lebensdauer und andere, vielleicht exotische Eigenschaften ist bislang etwas bekannt. Zuvor hatten vor allem die Teilchenforscher am DESY immer wieder mit sensationellen Entdeckungen aufwarten können. So fanden sie 1979 an dem im Vergleich zu HERA älteren und kleineren Beschleunigerring PETRA erstmals so genannte Gluonen – „ Botenteilchen”, die die Starke Kraft zwischen den Quarks übertragen und diese wie durch Leim zusammenhalten. Vor ein paar Jahren offenbarte ein Blick ins Innere der Protonen mit Hilfe des HERA-Rings, dass das Bild vom Aufbau der Nukleonen durch drei Quarks zu simpel ist. „Stattdessen gleicht das Proton einer brodelnden Suppe aus Quarks, Antiquarks und Gluonen, die unaufhörlich in großer Zahl aus dem Nichts entstehen und in winzigen Bruchteilen von Sekunden wieder verschwinden”, beschreibt Meyer das wuselige Innenleben der Kernteilchen. „Und je genauer man hinschaut, desto mehr Partikel sieht man.” Nur wenn die Physiker einen „Filter” aufsetzen, der das kurzlebige Werden und Vergehen ausblendet, erkennen sie im Proton das einfache Bild von drei stabilen Quarks. Wie genau man auf die Quarks in einem Proton schauen kann, hängt von der Energie der kollidierenden Elektronen und Protonen ab, mit denen man das Proton beschießt. Denn sie bestimmt das Auflösungsvermögen des „Elektronen-Mikroskops” (siehe Grafik rechts „Protonen unter der Elektronen-Lupe”). „Der Durchmesser von Protonen und Neutronen beträgt rund 10–15 Meter”, sagt Meyer. Das ist etwa ein Hunderttausendstel von der Größe eines Atoms und rund ein Zehnmilliardstel von der Dicke eines menschlichen Haars. Da die Quarks als die Bausteine der Nukleonen naturgemäß noch sehr viel kleiner sind als diese, offenbaren sie sich den Blicken der Physiker nur durch ein „Mikroskop” mit einer extrem hohen Auflösung. „Das weltweit einzige Instrument, dessen Auflösung ausreicht, um tief ins Innere von Protonen hineinzuschauen und die Eigenschaften der Quarks sehr genau zu erforschen, ist HERA”, sagt Meyer. „Mit diesem Teilchen-Mikroskop lassen sich Strukturen erkennen, die nur ein Tausendstel so klein sind wie ein Proton”, schwärmt er. Dass das möglich ist, dafür sorgt die gewaltige Energie, mit der Teilchen in dem Beschleunigerring zusammenrauschen – von den Teilchenphysikern in der Einheit Elektronenvolt gemessen (siehe Kasten „Einheit für die Mikrowelt”). Während die Elektronen mit einer Energie von 27,5 Gigaelektronenvolt (Milliarden Elektronenvolt) in die Kollision rasen, kommen ihnen die Protonen mit 920 Gigaelektronenvolt entgegen. Diese Energie konzentriert sich beim Crash auf einen Raumbereich, der kleiner ist als ein Proton. Sie erzeugt eine infernalische Energiedichte, wie sie im Universum nur milliardstel Bruchteile von Sekunden nach dem Urknall herrschte. „Wie klein die Strukturen sind, die man damit aufspüren und untersuchen kann, ergibt sich aus der Heisenberg’schen Unschärferelation”, erklärt Meyer. Sie besagt, dass die Genauigkeit bei der Bestimmung von Ort oder Ausdehnung eines Objekts umgekehrt proportional ist zur Energie, die es – zum Beispiel durch den Stoß der Teilchen in einem Beschleuniger – übertragen bekommt. HERA kann nach diesem Zusammenhang Strukturen bis hinab zu einer Größe von rund 10–18 Metern erkennen. Sollten auch die Quarks – anders als die Physiker heute glauben – wiederum aus anderen Partikeln aufgebaut sein, müssten diese auf jeden Fall deutlich kleiner sein. „Um noch kleinere Strukturen der Materie erforschen zu können, braucht man noch größere Beschleunigeranlagen, die die dazu nötige Energie liefern können”, sagt Meyer. Mit dem rund 30 Kilometer langen linearen Beschleuniger TESLA – bei ihm sollen Elektronen mit Positronen, ihren Antiteilchen, kollidieren – wollen die Wissenschaftler am DESY deshalb in einigen Jahren Elektronen bereitstellen, die eine rund 25-mal so große Energie wie die heute bei HERA besitzen, mit der sie auf Protonen geschossen werden können. Damit, prophezeit Meyer, werden sich alle Quark-Sorten detailliert untersuchen lassen. Und auch der am europäischen Hochenergie-Forschungszentrum CERN bei Genf im Bau befindliche Large Hadron Collider (LHC) soll etwa ab 2007 noch weit tiefere Einblicke ins Herz der Materie ermöglichen, als sie heute möglich sind. Wer weiß: Vielleicht wird sich dann herausstellen, dass die Quarks doch keine elementaren Teilchen sind und sich die Teilung der Materiebestandteile noch weiter fortsetzen lässt. Ralf Butscher■ COMMUNITY fernsehen In Kooperation mit bild der wissenschaft hat „nano”, das Zukunftsmagazin in 3Sat, einen Fernsehfilm zum Thema „Die unsichtbaren Herrscher” produziert. Die Erstausstrahlung können Sie miterleben am Mittwoch, den 28. April um 18.30 Uhr. Mehr Infos und weitere Sendetermine unter: www.3sat.de/nano LESEN Henning Genz ELEMENTARTEILCHEN Fischer 2003, € 8,90 Gordon Kane SUPERSYMMETRY Perseus 2001, € 14,92 Gerard ‘t Hooft IN SEARCH OF THE ULTIMATE BUILDING BLOCKS Cambridge University Press 2000, € 24,87 INTERNET Homepage des DESY: www.desy.de Hervorragend aufbereitete Informationen und aktuelle Meldungen über die Physik der Elementarteilchen vom DESY: kworkquark.desy.de Gute Hintergrundinfos über Teilchenphysik und Teilchenbeschleuniger auf der Homepage des Atlas-Experiments am CERN: atlasexperiment.org/etours_exper/ etours_exper01.html Infoseiten auf der CERN- Website: Public.web.cern.ch/public/ Homepage der D-Grid- Initiative: www.d-grid.de Infos zum Grid-Projekt am CERN: eu-datagrid.web.cern.ch/ eu-datagrid/ Grid-Computing am Forschungszentrum Karlsruhe: www.gridka.de Infos zum Fraunhofer- Ressource-Grid: www.fhrg.fhg.de Grid-Infos von IBM: www.ibm.com/de/ entwicklung/press_event Spieleportal Butterfly.net: www.butterfly.net Ohne Titel Quarks und Gluonen unterliegen als einzige bekannte Elementarteilchen der Starken Kraft. Ihre Stärke wird bestimmt durch eine abstrakte Eigenschaft, für die fantasievolle Physiker die Bezeichnung Farbe eingeführt haben. Die Bedeutung der Farbe für die Wirkung der Starken Kraft entspricht dem Stellenwert der Ladung für die Elektromagnetische Kraft. Physiker sprechen dabei von einer Quantenzahl – einer für ein Teilchen charakteristischen unveränderlichen Größe. Während es jedoch nur eine elektrische Ladung gibt, existieren in der Welt der Quarks drei verschiedene Farben: Rot, Grün und Blau. Sie bestimmen, welche Arten von Teilchen sich aus Quarks aufbauen lassen und welche nicht. Offenbar erlaubt die Natur nur solche Partikel, bei denen sich die Farben der enthaltenen Quarks gegenseitig aufheben, also quasi zu Weiß mischen. So sind in Protonen und Neutronen je drei Quarks enthalten, die jeweils eine andere Farbe haben (Rot + Grün + Blau = Weiß). In Mesonen lagern sich ein Quark und ein Antiquark zusammen, die ebenfalls zu einem weißen „ Erscheinungsbild” führen (zum Beispiel: Rot + Antirot = Weiß). Offenbar sorgt die Vorliebe der Natur für weiße Teilchen auch dafür, dass keine einzelnen Quarks existieren können. Ohne Titel Die Energie von Teilchen geben Physiker am liebsten in der Einheit Elektronenvolt an. Ein Elektronenvolt ist definiert als die Energie, die ein Partikel mit einer Elementarladung, zum Beispiel ein Elektron oder Proton, gewinnt, wenn es ein elektrisches Feld durchläuft, das durch eine Spannung von einem Volt erzeugt wird. In großen Beschleunigeranlagen betragen die Energien der Teilchen, mit denen experimentiert wird, meist viele Milliarden Elektronenvolt (Gigaelektronenvolt). Wegen der von Albert Einstein entdeckten Gleichwertigkeit von Masse und Energie lässt sich die Bewegungsenergie von schnellen Teilchen in Masse umwandeln – durch die Erzeugung neuer Partikel. Die dafür mindestens nötige Energie ergibt sich aus dem Produkt der Masse der erzeugten Teilchen und dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit (E=mc2). Der leichteren Vergleichbarkeit halber geben die Teilchenphysiker daher meist auch die Massen von Elementarteilchen in der Einheit Elektronenvolt an. Ohne Titel · Das Quarkmodell entstand vor 40 Jahren aus der Not heraus, die immer unübersichtlicher werdende Vielfalt an scheinbar elementaren Teilchen zu ordnen. · Quarks lassen sich niemals einzeln beobachten. · Mit riesigen „Elektronen-Lupen” blicken die Physiker in Protonen hinein, wo sich Quarks und Antiquarks tummeln. · Vor kurzem wurden erstmals Pentaquarks entdeckt – eine besondere Art exotischer Teilchen, die aus fünf Quarks bestehen.