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Teilchenphysik - das sollten Sie wissen
Woher kommen wir? Wer sind wir? - Grundlegende Fragen, die die Menschheit seit der Antike beschäftigen. Bereits die griechischen Philosophen kamen zum Schluss, dass man alle Materie nur solange aufspalten kann, bis man auf kleinste Bestandteile («Atomos», altgriechisch für «unteilbar») stösst. Seit dem versuchen Wissenschaftler diese elementaren Bestandteile des Universums zu finden (Welche Teilchen man wann entdeckt hat, finden Sie unter «Die Geschichte des Teilchenzoos»).
Zusammenstoss mit Lichtgeschwindigkeit
Diese Grundlagenforschung erfolgt mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) am Cern. Mit diesen Geräten werden Protonen oder Elektronen so lange mittels elektrischer Ladung beschleunigt, bis sie nahezu Lichtgeschwindigkeit erreichen. Ein Proton macht im LHC 11245 Umkreisungen pro Sekunde. Das sind 10 Milliarden Kilometer in 10 Stunden - einmal von der Erde zum Planet Neptun und zurück.
Dann lässt man die Teilchen aufeinanderprallen und versucht alle «Bruchstücke» mit Hilfe von so genannten Detektoren zu registrieren. Im LHC sind sechs verschiedene Detektoren installiert, in ihnen finden bis zu 600 Millionen Teilchenkollisionen pro Sekunde statt.
Der Bauplan des Universums?
Der Nachweis von elementaren Teilchen ist nur die eine Seite der Münze. Man möchte auch wissen, wie die Bausteine zusammengesetzt werden können. Und dieser Bauplan existiert bereits: das so genannte «Standardmodell der Elementarteilchenphysik» - eine Sammlung von Ideen, Konzepten und Theorien, mit denen Teilchenphysiker den Aufbau des Universums erklären. Das Grundprinzip des Standardmodells ist simpel: Es gibt zwei Teilchensorten. Erstens, die Materieteilchen (Fermionen) wie Elektronen und Quarks. Sie bilden den Stoff, aus dem das Universum besteht - Atomkerne, einen Tisch, Pflanzen und auch uns Menschen. Und zweitens: die Kraft- oder Wechselwirkungsteilchen (Eichbosonen). Sie sorgen dafür, dass sich Teilchen abstossen, anziehen oder ineinander umwandeln. Dazu gehören Photonen, Bosonen oder Gluonen.
Auf der Suche nach dem Higgs-Boson
Das Standardmodell funktioniert ausserordentlich gut und wurde immer wieder bestätigt. Nur: Es funktionierte nur mit masselosen Teilchen, welche wiederum keine gebundenen Systeme bilden könnten. Der Physiker Peter Higgs löste dieses Problem mit der Einführung des so genannten «Higgs-Feldes», welches mit den Teilchen interagiert und ihnen so eine Masse gibt. Exisitiert das Higgs-Feld tatsächlich, muss es ein dazugehöriges Teilchen geben - das Higgs-Boson. Es ist das einzige Elementarteilchen des Standardmodells, das bisher nicht in Experimenten nachgewiesen werden konnte. Aufgrund von Berechnungen und bisherigen Experimenten weiss man heute aber, welche Masse das Higgs-Boson etwa haben sollte und vermutet deshalb, dass es mit dem Large Hadron Collider am Cern gefunden wird.
Kein Higgs-Boson - keine Erkenntnis?
Wird das Higgs-Boson in den Detektoren des LHC nicht entdeckt, ist das Standardmodell falsch oder es muss etwas Anderes geben, das ähnliche Eigenschaften wie das Higgs-Teilchen aufweist. Und auch wenn das Higgs-Boson bestätigt wird, ist die Geschichte des Universums noch nicht zu Ende erzählt. Von der dunklen Materie und der dunklen Energie, die zusammen über 95 Prozent des Universums ausmachen, weiss man noch praktisch nichts. Hier sollen unter anderem supersymmetrische Theorien Licht ins Dunkel bringen, für welche man sich ebenfalls neue Erkenntnisse aus den LHC-Ergebnissen erhofft. Auch der Fall, dass man mit dem LHC gar nichts Neues entdeckt, kann theoretisch eintreffen. Das könnte jedoch aber erst in ungefähr zehn Jahren bestätigt werden.
Die Suche geht weiter
Die Teilchenphysiker sind bereits am nächsten Projekt, der Planung des International Linear Collider (ILC). Im Gegensatz zum LHC soll dessen Schwerpunkt nicht bei der Entdeckung neuer Teilchen, sondern bei Präzisionsmessungen der Eigenschaften bereits gefundener Teilchen liegen. Zu den Zielen des ILC gehört aber auch die Suche nach bislang unentdeckten und für den LHC unsichtbaren Teilchen. Ob, wann und wo der ILC gebaut wird, steht noch nicht fest.
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