Roethlein B. Das Innerste der Dinge.. Einfuehrung in - tiera.ru

So wie einst Mendelejew die bis dahin bekannten Elemente in
ein Schema geordnet hatte und damit in der Lage war, neue
Elemente und deren Eigenschaften vorherzusagen, so wurde
durch die Einteilung der Elementarteilchen in Familien von
Quarks und Leptonen ein Weg gefunden, weitere Elementarteilchen
vorherzusagen. In der Tat konnte eine ganze
Reihe von ihnen später gefunden werden, eine glänzende Bestätigung
der Theorie.
Auf einen kurzen Nenner gebracht, stellt man sich seit den
achtziger Jahren den Aufbau der Materie in der Theorie folgendermaßen
vor: Sowohl das Neutron als auch das Proton
bestehen aus je drei Quarks. Das Elektron als Lepton hingegen
zeigte bisher keine Struktur, es gilt nach wie vor als elementar
und punktförmig. Es gibt sechs verschiedene Arten von
Quarks, ebenso wie es sechs verschiedene Arten von Leptonen
gibt. Zum Aufbau der Materie, die uns im Alltag umgibt, tragen
allerdings nur zwei Quarksorten bei, das u- und das d-Quark,
ferner als einziges Lepton das Elektron. Die stabile Materie ist
also nach heutigen Erkenntnissen aus diesen drei elementaren
Bausteinen aufgebaut.
Die übrigen Quarks und Leptonen haben aber bei der Entstehung
der Materie eine wichtige Rolle gespielt. Kurz nach
dem Urknall waren sie massenhaft vorhanden und haben sich
danach in Materie der jetzt üblichen Art umgewandelt. Heute
tauchen sie nur noch in Ausnahmefällen auf, zum Beispiel in
der Höhenstrahlung oder in den großen Teilchenbeschleunigern.
Sind Leptonen und Quarks nun wirklich die letzten,
nicht mehr teilbaren, »elementaren« Urbausteine der Materie?
Wieso sind es gerade zwei mal sechs Bausteine? Viele Physiker
bezweifeln, daß man das Geheimnis der Materie aufgeklärt
hat, solange für dieses Schema keine einleuchtende Erklärung
gefunden ist, und sie stellen die Frage, ob es nicht noch kleinere,
wirklich elementare Bausteine gibt, aus denen sich die
Quarks und Leptonen zusammensetzen.
Zur Erforschung dieser und ähnlicher Fragen ist eine Generation
von Großbeschleunigern in Betrieb. Dazu gehört beispielsweise
der Speicherring Hera (Hadron-Elektron-Ringanlage)
am Deutschen Elektronen-Synchrotron in Hamburg.
Dort werden hochbeschleunigte Elektronen und Protonen zur
Kollision gebracht. In dem 6336 Meter langen Ringtunnel 25
Meter unter der Erde laufen in einem Vakuumrohr, das von supraleitenden
Magneten umgeben ist, zwei Teilchenstrahlen
gegenläufig um. Der eine besteht aus Protonen, also positiv
geladenen Wasserstoffkernen, der andere aus den sehr viel
leichteren, negativ geladenen Elektronen. An zwei Stellen des
Rings befinden sich Messgeräte, so genannte Detektoren, in
deren Zentrum die Teilchenstrahlen sich jeweils überkreuzen,
so daß die Protonen und Elektronen dort zusammenstoßen
können.
Sowohl Elektronen als auch Protonen rasen, gebündelt in
»Bunches« fast mit Lichtgeschwindigkeit durch den Beschleuniger.
Das heißt, daß sie in jeder Sekunde etwa 47 000
Umläufe durch den Ring zurücklegen. Bei den extrem hohen
Aufprallenergien werden bei jedem Zusammenstoß viele neue
Teilchen erzeugt. Sie hinterlassen Spuren, die von den beiden
zehn mal zehn mal zwanzig Meter großen Nachweisapparaturen
»Hl« und »Zeus« elektronisch aufgezeichnet werden.
Bei der Auswertung der Messdaten entstehen »Bilder«, aus
denen die Physiker Erkenntnisse über Art und Eigenschaften
der Bausteine des Protons sowie über die zwischen ihnen stattfindenden
Wechselwirkungen gewinnen. Der Teilchenbeschleuniger
wirkt gleichsam wie ein Super-Elektronenmikroskop,
mit dem das Innere der Protonen betrachtet werden
kann.
Wie man mittlerweile weiß, bestehen sie - wie schon erwähnt
- aus je drei kleineren Teilchen, den Quarks, die aber
nicht frei existieren können. Wenn nun die hochbeschleunigten
Elektronen auf die Protonen auftreffen, dringen sie in die-