Elementare Bausteine der Materie

Für einen Laien ohne nennenswertes mathematisches Rüstzeug bestehen gewisse Einschränkungen, wenn er den Aufbau der Materie in etwa verstehen und die Funktionsweise der Natur in ihren Grundzügen vage erahnen möchte.  
Doch die intuitive Denkweise einiger Buchautoren hilft interessierten Lesern, die übergeordneten Prinzipien zu erfassen, auf welche sich mathematisch formulierten Naturgesetzen gründen.
Einen roten Faden im Aufbau der Materie und dessen Erforschung vermittelt z.B. das etwas ältere Buch "Der Klang der Superstrings - Einführung in die Natur der Elementarteilchen" von Frank Grotelüschen. 


Wesentliches Forschungsinstrument der 'Teilchenforschung' sind Teilchenbeschleuniger wie der neue LHC in Genf (siehe auch: Dunkle Kräfte, Abenteuer Wissen, zdf). Sein Zweck liegt unter anderem darin, den theoretisch beschriebenen Aufbau der Materie experimentell zu belegen. Speziell die → "Suchmaschine LHC" soll 'neue Teilchen' (z.B. dem so genannten HIGGS-Boson als 'Boten der der Gravitation') aufspüren, die mit den älteren Beschleuniger unerreichbar waren. Die Formulierung einer Theorie über den Aufbau der Materie hat schon sehr viel früher begonnen...

Vom Atom zum Quark

Schon im antiken Griechenland hatte ein Philosoph namens Demokrit die These aufgestellt, Materie müsse aus kleinsten, unsichtbaren Bausteinen aufgebaut sein ("átomos" bedeutet soviel wie unteilbar).


Die Richtigkeit dieser frühen Überlegung erkannten Naturforscher wie John Dalton im 18. Jahrhundert, als sie durch wiederholte Experimenten feststellten: 

Die Stoffe für eine bestimmte chemische Reaktion werden stets im gleichen Mengenverhältnis benötigt: Um etwa aus Wasserstoff- und Sauerstoffgas flüssiges Wasser gewinnen, verbinden sich 1 Liter Sauerstoff immer mit 2 Litern Wasserstoff. Daltons Erklärungsversuch besagte die Existenz kleinster Materieeinheiten: Ein Sauerstoff-Atom und 2 Wasserstoff- Atomen werden zum Wassermolekül H₂O. 

Zerlegt man umgekehrt Wasser in seine Einzelelemente, kommen Wasserstoff- und Sauerstoffgas im gleichen Mengenverhältnis 2:1 heraus.

Zu Dalton's Zeit stellten Physiker sich Atome als unteilbare Kügelchen mit einem Durchmesser von gerade mal 10^-7 Millimetern vor, die sich durch den Raum bewegen und durch Zusammenstöße zu Molekülen (i.w.S. zwei- oder mehratomige Teilchen, die durch chemische Bindungen zusammen gehalten werden) verschmelzen können.

Aus vierzig bekannten chemischen Elementen, d.h. 40 verschiedenen Atomsorten bauten sich nach ihrer Ansicht alle anderen Stoffe auf; inzwischen kennt das chemische Periodensystem der Elemente mehr als hundert Atomsorten. 


 "Das Atom - kurz und bündig":

Nachdem J.J. Thomson 1897 das Elektron als Träger der elektrischen Ladung identifiziert hatte, sollte dieser Umstand in das Atommodell integriert werden. Wirklichen Erfolg hatte man damit erst 1909 - der Physiker Ernest Rutherford in entwickelte einen Versuch zur Erforschung der neu entdeckten, radioaktiven 'Alphastrahlen':

• Er schoss die Strahlen auf eine dünne Goldfolie, hinter der einen Zinksulfid-Schirm Nachweisinstrument aufstellte; jedes dort auftreffende Alphateilchen hinterließ einen deutlich sichtbaren Lichtblitz. Zunächst flogen die positiv geladenen Partikel meist geradewegs durch die Folie hindurch, nur einige wenige wurden geringfügig abgelenkt.
• Dann untersuchte Rutherford, ob Alphateilchen auch von der Goldfolie zurückgeworfen wurden, indem er den 'Detektor' (seinen Zinksulfid-Schirm) nun vor die Folie montierte, Tatsächlich prallte etwa jeder zwanzig-tausendste Partikel von der Folie ab.

Emission eines Alphateilchens (Protonen rot, Neutronen blau)

Nun wurden erste Schlussfolgerungen über den Aufbau eines Atoms möglich: Um die relativ schweren Alpha(α-)teilchen (die später als Helium-4-Atomkern identifiziert wurden, bestehend aus immerhin zwei Protonen und zwei Neutronen) zurückwerfen, bedurfte es einer sehr konzentrierten positiven Ladung - einem 'Ladungskern', rund zehntausend Mal kleiner als das gesamte Goldatom. 
Rutherford zog eine wichtige Folgerung aus dem Abprallen von nur so wenigen α-Teilchen: 

• Das Atom ist nicht unteilbar, sondern besteht aus einem winzigen, schweren und positiven Kern sowie einer leichten, ausgedehnten Elektronenhülle. 
• Unterhalb der Ebene von Atomen mussten noch kleinere Fundamentalbausteine existieren. gestoßen - schließlich ist es aus kleineren Teilchen zusammengesetzt.

 Der dänische Physiker Niels Bohr entwickelte aus dieser Vorstellung das Bohrsche Atommodell: Die Elektronen umkreisen in festgelegten Umlaufbahnen den Kern - ähnlich wie Planeten um die Sonne. Wechseln sie von einer Bahn auf eine andere 'Elektronenschale' und geben dabei Strahlung ab, nennt er dies Quantensprung. Später wurde das Modell erneut zum Kugelwolkenmodell verfeinert, mit dem bis heute viele Phänomene wie Atombindung und Molekülbau vereinfacht erklärt werden: Die Elektronen haben darin nicht den Charakter winziger 'Planeten', sondern bilden eine diffuse 'Elektronenwolke' - gleichsam ein "Aufenthaltsraum" für die Elektronen, in dem diese sich bewegen, wobei weder ihre genaue Position noch eine bestimmte Geschwindigkeit ermittelt werden kann. Diese Unbestimmtheit von Teilchen (und Wellen) ist eine grundlegende Eigenschaft der Quantentheorie. 'Nach außen hin' nimmt die Größe der Elektronenschalen zu, deshalb passen immer mehr Elektronenwolken auf eine Schale (die Anzahl Elektronen, die in der n-ten Schale Platz haben, berechnen sich nach der Formel 2×n²:

1. Schale (K-Schale) = 2 Elektronen = 1 Elektronenwolke
2. Schale (L-Schale) = 8 Elektronen = 4 Elektronenwolken
3. Schale (M-Schale) = 18 Elektronen = 9 Elektronenwolken
4. Schale (N-Schale) = 32 Elektronen = 16 Elektronenwolken

Im Wasserstoffatom hat erste Schale hat nur eine Kugelwolke,
die zentrisch um den Kern angeordnet ist.

Sauerstoffatom: In der zweiten Schale gibt es vier Kugelwolken,
 die zusammen 6 Elektronen aufnehmen.

Die nächste Komplexitätsstufe war das Orbitalmodell, in welchem keine Kreis- oder sonstigen Bahnen von Elektronen mehr existieren wie im Atommodell von Bohr. Die Quantenmechanik hatte inzwischen gezeigt, dass kein genauer Aufenthaltsort der Elektronen beschrieben werden kann - sondern nur als Aufenthalts-Wahrscheinlichkeitsdichte in Form einer stochastischen Verteilungsfunktion darstellbar ist (...die → bornsche Wahrscheinlichkeitsinterpretation hat für Nicht-Mathematiker schon etwas Verschreckendes).

Aufenthalts-wahrscheinlichkeitsdichte der 1. und 2. Elektronenschale

Nicht nur die Atomhülle, sondern auch der so viel kleinere Atomkern war Gegenstand detaillierter Untersuchungen. Wie James Chadwick 1932 entdeckte, befinden sich im Zentrum des Atoms neben den positiv geladenen Protonen (Wasserstoffkernen) auch die elektrisch neutralen Neutronen - zusammen werden sie auch Nukleonen genannt. Der Kerndurchmesser liegt nur bei etwa 1/10.000 bis 1/100.000 des Durchmessers der Elektronenhülle, konzentriert aber über 99,9 % der Masse des Atoms in sich.

Schematische Darstellung des Atoms. Nicht maßstäblich.

[Die Arbeit, die aufgewandt werden müsste, um den Kern in seine einzelnen Nukleonen zu zerlegen, wird Bindungsenergie genannt. Sie ist für den Weg vom 'unteilbaren Atom der alten Griechen bis zu den Quarks nicht weiter relevant - ihre Erforschung ermöglichte aber die Entfesselung der Verschiedenen Kernspaltungs-Kettenreaktion, die sehr bald sowohl friedliche als auch militärische Anwendung fanden] 

"Physik war so einfach wie nie zuvor", denn für kurze Zeit bestand die Welt aus nur drei Bausteinen:

• Neutronen und Protonen bilden die verschiedensten Kerne, Elektronen bauen die jeweils passende Hülle auf - und Kern und Hülle fügen sich zu dem insgesamt ladungs-neutralen Atom. 
• Aus drei Elementarteilchen ließen sich die mehr als hundert chemischen Elemente kombinieren ... ein perfektes Weltbild. 

Dieser Zustand dauerte jedoch nur bis in die 1940er Jahre, wo neue Experimentiertechniken entwickelt wurden, dann machten neuartige empfindliche Spezialfilme die eingehende Untersuchung der kosmischen Strahlung möglich, die alles verkomplizierte: 'Irgendwo' im Universum werden Teilchen wie Wasserstoffkerne bis fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Wenn kosmische Strahlung auf die Erdatmosphäre trifft, stoßen diese 'hochenergetischen Protonen' mit Luftmolekülen zusammen. 


Durch diesen fatalen Kollisionen werden Atomkerne zertrümmert und es entstehen neue, kurzlebige Teilchen. Diese Teilchen wurden nun mit den neuen Spezialfilmen registriert: instabile Partikel, die in Sekundenbruchteilen in andere Teilchen zerfallen. Ende der fünfziger Jahre kannte man über zweihundert verschiedene Partikel, die alsbald auch 'Teilchenzoo' bezeichnet wurden.
Auch wenn sie durch ihre Instabilität ohne Bedeutung im Alltag waren - ihre Existenz konnte man kaum ignorieren. Unsicherheit kam auf, denn eine Weile wusste niemand mit Sicherheit, ob ein bestimmter 'Zooinsasse' ein wirklich unteilbares Elementarteilchen (=nicht weiter zerlegbare Bausteine) darstellt oder nur eine exotische Übergangsform mit Halbwertzeiten im Bereich von Millisekunden. 


Dagegen sind die 'echten' Elementarteilchen unglaublich stabil: Experimente am Super-Kamiokande Detektor in Japan deuten darauf hin, dass die Halbwertzeit von Protonen bei mehr als 10³⁵ Jahren liegt...also weit aus größer ist als das bisherige Alter unseres Universums!

Das Standardmodell - ein „Bausatz“ des Universums

Um Ordnung in den Teilchenzoo zu bringen, entwickelte Murray Gell-Mann, eine neue Theorie: Er ging davon aus, dass sich sämtliche Zooteilchen aus nur drei Grundbausteinen zusammensetzen - den Quarks.
Damit gelang ihm ein regelrechter Befreiungsschlag: Nachdem die Quark-Hypothese auch durch Experimente bestätigt worden war, blieben noch drei Quarks und die Elektronen als Elementarbausteine der Materie. 


Genau genommen gibt es sechs verschiedene Quarks, die wichtigsten heißen Up und Down; sie bilden Protonen und Neutronen. Die anderen Quarks sind schwerer und haben nur kurze Lebensdauern. Sie wandeln sich in die beiden leichteren Quarks um. Quarks werden nach 'Farbladungen' unterschieden. Diese haben nichts mit Farben zu tun, sondern werden der besseren Anschaulichkeit wegen nach Farben benannt Teilchen sind jedoch bestrebt, keine Farbladung zu haben, - einzelne Quarks trifft man insoweit nicht an; sie kommen gewöhnlich nur in Zweier- oder Dreierkombinationen vor. Die 'Summe' ihrer Farbladungen wird (analog zu Licht verschiedener Wellenlängen) weiß.

Proton, bestehend aus 2 up-Quarks und einem down-Quark

Mit Hilfe der Quarks und einigen weiteren Teilchen lässt sich das Standardmodell der Elementarteilchenphysik recht gut beschreiben. Grundbausteine der Materie in diesem Standardmodell sind:

• sechs Quarks, Ihnen werden über 99,9 Prozent Masse von Materie zugeschrieben
• sechs Leptonen, zu denen das Elektron gezählt wird: Die Leptonen (~'Leichtgewichte') - das Elektron mit seinen schweren 'Verwandten' Myon und Tau sowie drei Neutrino-Varianten - bilden nur einen winzigen Anteil der Masse von Materie.
• die Eichbosonen Sie übertragen die verschiedenen Kräfte, übermitteln also die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen (Materie-)Teilchen. Deshalb werden sie oft auch als Austausch- oder Trägerteilchen, Kraftteilchen. Die Physik ist nun bemüht, jeder der vier Grundkräfte wenigstens ein Wechselwirkungs-Teilchen zuzuordnen.

Eichboson(en)	Anzahl	Wechselwirkung	Materieteilchen
Gluonen	8	starke Wechselwirkung	Quarks
W+-, W-- und Z0- Boson	3	schwache Wechselwirkung	Quarks,Leptonen
Photon	1	elektromagnetische Wechselwirkung	Quarks,Leptonen (ohne Neutrinos)
(Graviton)	1	Gravitation	Quarks,Leptonen, hyp: Dunkle Materie

Quelle: Wikipedia

• Als weiteres, hypothetisches Eichboson wird das Graviton als Trägerteilchen der Gravitationskraft angenommen, es ist aber bis heute nicht durch Experiment nachgewiesen. Einige seiner Eigenschaften (Ausbreitungsgeschwindigkeit, Masselosigkeit) entsprechen denen eines Photons.

• Ebenso ist das → Higgs-Boson ein bislang nicht nachgewiesenes Elementarteilchen, das aber im Standardmodell vorausgesagt wird. Es spielt eine besondere Rolle, da es den übrigen, zunächst prinzipiell masselosen Elementarteilchen eine Masse verleihen soll. (Träge Masse ist in diesem Modell keine grundlegende Eigenschaft der Elementarteilchen, sondern entsteht erst durch eine Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld oder – im Falle der massiven Eichbosonen durch den Higgs-Mechanismus.)

Zählt man die hypothetischen Teilchen nicht mit, kommt man auf 12 elementare Bausteine - sechs Quarks und sechs Leptonen Das Standardmodell geht jedoch von insgesamt 24 Grundbausteinen aus, um die die Existenz von Antimaterie einzubeziehen - zu jedem Teilchen existiert eine spiegelverkehrte Variante (Antiteilchen).

Elementarteilchen des Standardmodells

Nachdem die Bausteine jedes Atomkerns - Protonen und Neutronen - aus 'Up-Quarks' und 'Down-Quarks' aufgebaut sind, und der Atomkern von Elektronen umhüllt ist, besteht die normale Materie um uns herum aus nur drei Grundteilchen (auch Fermionen genannt). Die übrigen im Standardmodell verzeichneten Fundamentalteilchen sind instabil; sie entstehen nur unter Extrembedingungen und für Sekundenbruchteile.
  

Klassen bekannter Naturkräfte

Das Standardmodell kennt vier verschiedene Kräfte, d.h. die Wechselwirkungen zwischen diesen 24 Teilchen: 

• Der Gravitation unterliegen zwar alle Elementarteilchen; man lässt sie in der Teilchenphysik wegen ihrer geringen Stärke jedoch meist außer Betracht. Einige Elementarteilchen unterliegen zudem einigen oder übrigen drei Wechselwirkungen; beschrieben wird dies durch die Ladungen:
• Farbladung (starke Wechselwirkung)
• Schwache Ladung (schwache Wechselwirkung)
• Elektrische Ladung (elektromagnetische Wechselwirkung)

(Diese Grundkräfte der Physik näher zu erläutern, würde an dieser Stelle zu weit führen - umfassendere Erläuterungen der vier Naturkräfte sind jeweils verlinkt):

• Gravitationsfelder beeinflussen alle Teilchen und Wellen (auch das Licht). Diese nachgewiesen Beeinflussung wird allgemein als Gravitation bezeichnet; Schwerkraft ist der Einfluss, den die Erde auf uns ausübt. Gravitation bestimmt die großräumige Verteilung der Masse im Universum. Sie ist zwar im Vergleich zu den übrigen Wechselwirkungen ungemein schwach, aber ihre Reichweite der ist unbegrenzt und sie lässt sich nicht abschirmen (sondern nur kompensieren).

• Die elektromagnetischen Wechselwirkungen sind für alle chemischen und biologischen Vorgänge verantwortlich, doch zwischen großen Körpern heben sie sich auf. Nach dem Modell von James C. Maxwell verhalten sich die elektrische und magnetische Kraft beide wie die Gravitation - wirken aber nur auf Teilchen mit einer elektrischen Ladung: Zwei gleiche elektrische Ladungen oder Magnetpole stoßen sich ab, während ungleiche Ladungen oder Pole sich anziehen. Im Gegensatz dazu addieren sich bei den Gravitationskräften alle Teilbeträge auf.

• Die Schwache Kernkraft verursacht bestimmte Arten der Radioaktivität und spielt eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von Elementen in Sternen und im frühen Universum. Im Alltag tritt sie nicht in Erscheinung.

• Starke Kernkraft bindet die Protonen und Neutronen innerhalb eines Atoms. Außerdem hält sie die Protonen und Neutronen selbst zusammen, was notwendig ist, weil diese Teilchen aus noch winzigeren Teilchen bestehen, den bereits erwähnten Quarks. Auch mit ihr haben wir keine unmittelbare Berührung.

Während nach den klassischen Theorien Kräfte von Feldern übertragen wurden, hat sich inzwischen Vorstellung durchgesetzt, dass die o.a. Eichbosonen (kräftetragende 'Botenteilchen') sich in sehr hoher Geschwindigkeit zwischen den Materiepartikeln hin und her bewegen und die Kräfte zwischen ihnen übertragen:

• Bei der elektromagnetischen Kraft fungieren Lichtteilchen (Photonen) als Überbringer der Nachricht, ob und wie stark sich zwei Partikel anziehen oder abstoßen sollen.
• Bei der starken Kraft sorgen 'Gluonen' (engl. glue, = Leim) für eine unvorstellbare Haftwirkung zwischen den Quarks.
• Die schwache Kraft wird von sogenannten Vektorbosonen übermittelt.

Diese Botenteilchen, um 1983 tatsächlich nachgewiesen, haben den Charakter 'virtueller Teilchen' - sie existieren nur so lange, wie sie brauchen, um ihre Nachricht von einem Materieteilchen zu einem anderen zu bringen. 
  

Ein endgültiges Modell?

Damit ist das Standardmodell in sehr groben Zügen umschrieben - besitzt die Physik damit die definitive Theorie vom Mikrokosmos? Derzeit noch nicht, denn eine Reihe wichtiger Fragen ist unbeantwortet:

• Existiert das Higgs-Boson wirklich und hat es die vorhergesagten Eigenschaften?
• Warum haben die fundamentalen Wechselwirkungen so unterschiedliche Stärken?
• Was ist mit der Gravitation und den Gravitonen als ihrem 'Botenteilchen'?
• Woher kommt die beobachtete Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im Universum?
• Mindestens 18, wenn nicht sogar 26 freie Parameter ("Naturkonstanten") sind Teil des Standardmodells; sie werden aber nicht theoretisch auf einen bestimmten Wert festgelegt, sondern müssen durch Messung bestimmt werden. Existiert eine übergeordnete Theorie, die weitergehende Vorhersagen zulässt - sodass deutlich weniger Messungen erforderlich wären? Lassen diese sich aus einer allgemeineren Theorie vorhersagen?

Schon diese Fragen verdeutlichen, dass die Physik keinesfalls an ihrem Ziel angelangt - oder negativ ausgedrückt am Ende - ist. (→ "Aus! ... Die Physik steckt in der Krise", ZEIT online - 2008)

Alpha Centauri: Was sind Quarks?