Laut Quantenphysik besteht alles Existierende aus Teilchen. Materie, Licht, Sichtbares und Unsichtbares – all das sind Teilchen, und sie bestimmen die Funktionsweise des gesamten Universums. Einige davon sind uns vertraut, wie beispielsweise Elektronen. Andere sind etwas ungewöhnlicher, wie Quarks. Doch die Grundidee jedes Teilchens ist, dass es ein Elementarteilchen ist, aus nichts anderem besteht. Man kann ein Atom in Protonen, Neutronen und Elektronen zerlegen. Aber man kann ein Teilchen nicht in etwas anderes zerlegen. Vor diesem Hintergrund wollen wir uns einige der erstaunlichsten Entdeckungen ansehen, die die Wissenschaft gemacht hat – oder zumindest zu machen glaubt.
10. Das Gottesteilchen
Wenn Wissenschaftler etwas als „Gottesteilchen“ bezeichnen, meinen sie damit mehr als nur ein großes Teilchen. Korrekterweise lautet der korrekte Name Higgs-Boson, doch der Physiker Leon Lederman gab dem Teilchen einen klangvolleren Spitznamen, da es nicht einfach ist, die Medien für Teilchen zu begeistern.
Die Existenz des Higgs-Bosons wurde 2013 bestätigt. Allerdings wurde es bereits in den 1960er-Jahren theoretisch vorhergesagt, weshalb die Suche danach sich in die Länge zog. Stephen Hawking wettete einst 100 Dollar darauf, dass es niemals entdeckt würde – und verlor. Er sagte außerdem offiziell, dass das Higgs-Boson eines Tages das Universum zerstören wird. Merken Sie sich diesen Termin also vor.
Nach all dem könnte man meinen, das Higgs-Boson sei etwas ganz Besonderes, und tatsächlich ist es das auch. Es braucht jedoch etwas Zeit, um es zu verstehen, also versuchen wir es.
Ein Boson ist ein Elementarteilchen. Bosonen sind für alle fundamentalen Kräfte des Universums verantwortlich, wie beispielsweise den Elektromagnetismus sowie die schwache und die starke Kernkraft.
Das Higgs-Feld ist ein Energiefeld, das anderen Teilchen, wie beispielsweise Elektronen, Masse verleiht. Vereinfacht gesagt, tragen Higgs-Bosonen maßgeblich zur Masse der Teilchen im Universum bei. Das Boson selbst besitzt eine große Masse, ist aber kurzlebig, was seine natürliche Entdeckung erschwert. Seine Existenz bestätigt jedoch vieles, was wir über das Standardmodell der Physik wissen, und trägt dazu bei, die Existenz von Teilchen überhaupt zu erklären. Es könnte auch helfen, Dunkle Materie zu erklären und weitere, uns unbekannte Teilchen zu identifizieren.
Das Witzige ist, dass Lederman es nicht offiziell „Gottesteilchen“ nannte. Er nannte es „verdammtes Teilchen“, weil er frustriert war, wie schwer es nachzuweisen war. Sein Verlag änderte den Namen.
9. Tetraquark
Quarks lassen sich am einfachsten als die kleinsten Materieteilchen verstehen. Ein Stück Eisen besteht aus Eisenatomen. Diese Atome wiederum bestehen aus Elektronen und Protonen. Selbst wenn man diese auseinandernehmen würde, blieben immer noch Quarks übrig. Sie besitzen Masse und Spin und kommen in sechs verschiedenen Arten vor, die man kurioserweise «Flavours» nennt. Diese Flavours werden paarweise gruppiert: Up und Down, Up und Down sowie Charm und Strange. Komisch, nicht wahr? Nun, es wird noch seltsamer.
Im Jahr 2021 entdeckten Wissenschaftler das Tetraquark, ein exotisches Hadron, das aus zwei Quarks und zwei Antiquarks besteht. Vor dieser Entdeckung galt dies als unmöglich. Die Vorstellung, dass sich Teilchen jemals miteinander verbinden könnten, wurde als undenkbar angesehen, doch die am Large Hadron Collider gewonnenen Daten bewiesen das Gegenteil.
Die Entdeckung des Tetraquarks wird Forschern mehrere neue Werkzeuge an die Hand geben, um die starke Kraft, die Quarks zu Neutronen und Protonen zusammenhält, besser zu verstehen.
8. Neutrino
Wer in den letzten Jahrzehnten Science-Fiction-Filme gesehen hat, dem ist das Wort «Neutrino» sicher schon öfter begegnet. Es ist populär, und selbst wenn die Wissenschaft für die meisten von uns unverständlich geworden ist, klingt es immer noch interessant.
Neutrinos sind in Wirklichkeit viel intensiver, als die meisten von uns sich vorstellen können. Es handelt sich um subatomare Teilchen, die bei galaktischen Katastrophen wie Sternexplosionen entstehen. Sie bewegen sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit, und es ist äußerst schwierig, sie aufzuhalten, da sie selbst Blei so mühelos durchdringen können wie eine offene Tür.
Neutrinos haben eine erstaunlich geringe Masse. Die Zahlen, mit denen sie beschrieben werden, sagen einem ohne fundierte Physikkenntnisse nichts. Sie sind etwa 500.000 Mal kleiner als ein Elektron. Anders als ein Elektron besitzen sie jedoch keine elektrische Ladung. Ohne Masse und Ladung sind Neutrinos praktisch nicht existent. Und doch sind sie überall. Die Sonne bombardiert uns jede Sekunde mit etwa einer Milliarde Neutrinos.
Die Tatsache, dass Neutrinos eine gewisse Masse besitzen, auch wenn diese mikroskopisch klein ist, könnte die gesamte Masse im Universum erklären und warum uns Materie und nicht Antimaterie umgibt.
7. Myonen
Myonen gehören wie Quarks zu den fundamentalen Teilchen des Universums. Sie ähneln Elektronen, sind aber größer und wiegen 207-mal mehr. Sie sind extrem kurzlebig und zerfallen innerhalb von 2,2 Mikrosekunden nach ihrer Entstehung in Elektronen und Neutrinos. Sie entstehen, wenn kosmische Strahlung mit Teilchen in unserer Atmosphäre kollidiert. In diesen 2,2 Mikrosekunden durchdringen sie die Erde und dringen dank ihrer nahezu Lichtgeschwindigkeit etwa 1,6 Kilometer tief in den Erdboden ein.
Forschungen am Large Hadron Collider haben gezeigt, dass Myonen sich nicht immer so verhalten, wie es wissenschaftlich vorhergesagt wird. Vereinfacht gesagt, sie schwanken. Das sollten sie aber nicht. Und die Tatsache, dass sie schwanken, deutet darauf hin, dass möglicherweise ein weiteres Teilchen beteiligt ist, das bisher niemand vermutet hat und das ihr Verhalten beeinflusst.
6. Quarks
Wir haben das Tetraquark bereits erwähnt, daher ist es sinnvoll, es in seine Bestandteile, die Quarks, zu zerlegen. Zerlegt man beispielsweise Protonen und Neutronen, erhält man Quarks und Gluonen. Es gibt sechs Arten von Quarks, und sie treten stets paarweise auf. Tatsächlich haben Wissenschaftler bereits versucht, ein Quark von seinem Gegenstück zu trennen, was jedoch nicht gelang. Sie sind entweder untrennbar miteinander verbunden oder existieren gar nicht.
Die Wechselwirkung von Quarks und Gluonen ist die Quelle der Masse in Atomen. Das bedeutet im Wesentlichen, dass die gesamte Masse in Materie, wie wir sie verstehen, von Quarks und Gluonen stammt. Anders als die meisten Teilchen, die als positiv, negativ oder neutral geladen beschrieben werden, gehen Quarks noch einen Schritt weiter. Sie besitzen auch eine Farbladung, die mit der sogenannten Quantenchromodynamik zusammenhängt. Diese verwendet die theoretischen Farben Rot, Blau oder Grün (die in Wirklichkeit nicht diese Farben sind), um ihre einzigartigen Quanteneigenschaften zu beschreiben.
5. Gravitonen
Die Wissenschaft erkennt vier fundamentale Kräfte im Universum an: die schwache und die starke Kernkraft, den Elektromagnetismus und die Gravitation. Die ersten drei verstehen wir in den meisten Fällen recht gut. Die Gravitation hingegen ist ein unberechenbarer Faktor.
Wir verstehen, wie Photonen mit Elektromagnetismus wechselwirken, wie Quarks und Gluonen mit der starken Kernkraft interagieren und wie Bosonen mit der schwachen Kernkraft interagieren. Was wir nicht wissen, ist, was die Gravitation vermittelt. Hier kommen Gravitonen ins Spiel, theoretische Teilchen, die es ermöglichen, dass Gravitation als Kraft auf Dinge in der realen Welt wirkt. Das Problem mit Gravitonen ist, dass wir nicht wissen, ob sie tatsächlich existieren. Sie sind noch rein theoretisch. Die Wissenschaft kann die Gravitation nicht erklären.
Überraschenderweise wissen wir zwar nicht mit Sicherheit, ob Gravitonen existieren, aber wir wissen doch sehr viel über sie. Wir wissen, dass ihre Masse null oder nahezu null ist und dass sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Warum können wir sie also nicht nachweisen?
Die Gravitation ist die schwächste der vier Kräfte und daher schwer nachzuweisen. Berechnungen zufolge hätte selbst ein Gravitationsdetektor mit der Masse des Jupiters, der in der Nähe eines supermassereichen Objekts wie eines Neutronensterns platziert würde, Schwierigkeiten, überhaupt etwas zu messen.
4. Tachyonen
Danke Star Trek Zur Popularisierung von Tachyonen, zumindest in einigen Kreisen. Diese theoretischen Teilchen wären wahrscheinlich unbekannt geblieben, hätte die Science-Fiction sie nicht aufgrund ihrer bizarren Natur aufgegriffen. Man sollte sich vor Augen halten, dass sie streng genommen nicht existieren, aber einige Physiker an ihre Existenz glauben.
Das bekannteste Merkmal von Tachyonen ist ihre Geschwindigkeit. Sie bewegen sich schneller als das Licht. Allein dies hat viele zu der Annahme verleitet, dass Tachyonen nicht existieren können, da sich nichts schneller als das Licht bewegt. Doch die theoretische Physik ist bereit, alles zu akzeptieren, wenn es Beweise gibt – warum also nicht?
Wenn sich ein Tachyon schneller als Licht bewegt, könnte es – basierend auf unserem Wissen über die Zeit – rückwärts in der Zeit reisen. Normalerweise gehen wir davon aus, dass sich nichts schneller als Licht bewegen kann, da seine Masse und damit auch die benötigte Energie für seine Bewegung zunehmen würden. Bei Lichtgeschwindigkeit käme man praktisch zum Stillstand. Tachyonen beschleunigen jedoch, während sie Energie verlieren, wodurch sie diese Barriere überwinden können. Dies erklärt auch all die Zeitparadoxien, die wir aus Filmen kennen. Und genau deshalb existieren sie möglicherweise gar nicht.
Wenn sie existieren, sich aber schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, ist es natürlich nicht verwunderlich, dass wir sie noch nicht entdeckt haben, und vielleicht werden wir sie aus genau diesem Grund auch nie entdecken.
3. Dunkle Materie
Sie haben den Begriff «Dunkle Materie» wahrscheinlich schon einmal gehört, aber falls Sie sich nicht sicher sind, was er bedeutet, keine Sorge, Sie sind nicht allein. Die Wissenschaft tut sich damit schwer, doch er beantwortet viele Fragen zur Funktionsweise des Universums und dient daher momentan als Platzhalter zur Erklärung verschiedenster kosmischer Phänomene.
Die Art und Weise, wie sich Galaxien bewegen, erscheint uns nach unseren Beobachtungen unlogisch. Sie bewegen sich, als wären sie viel massereicher, als sie tatsächlich sind. Es muss eine geheime Massenquelle geben, die jede einzelne Galaxie zusammenhält, und diese Quelle ist die Dunkle Materie.
Dunkle Materie reflektiert, absorbiert oder emittiert keinen Elektromagnetismus, daher ihr Name. Sie ist praktisch unsichtbar und somit rein theoretischer Natur. Was sie jedoch emittiert, ist Gravitation, und diese hält das Universum zusammen. Und davon gibt es gewaltige Mengen. Tatsächlich entspricht sie etwa 801 T³ Brillouin-Tetraedern der gesamten Masse des Universums.
2. Partikel
«Sparticle» klingt zwar nach Spartacus und Teilchen, aber nur die Hälfte davon stimmt. Das «s» steht nämlich für „supersymmetrisch“. Teilchen sind zum Beispiel supersymmetrische Teilchen, und ihre Existenz könnte, ähnlich wie bei einer Kokosnuss, die Geheimnisse der Physik entschlüsseln.
So nützlich das Standardmodell der Teilchenphysik auch ist, wie wir gesehen haben, weist es doch viele Lücken auf. Was ist dunkle Materie? Wie funktioniert die Gravitation? Warum schwingen Myonen? Es gibt Fragen nach dem Ursprung der Masse und so weiter. Es gibt genügend offene Fragen, die den Wert des Standardmodells oder die Notwendigkeit eines völlig neuen Modells infrage stellen könnten. Es sei denn natürlich, man findet irgendwo eine Lösung.
Viele Probleme der Teilchenphysik lassen sich durch die Theorie der Supersymmetrie erklären. Ihr zufolge sollte jedes Teilchen ein supersymmetrisches Partnerteilchen besitzen. Diese Partnerteilchen könnten theoretisch zahlreiche Lücken in unserem Verständnis des Universums schließen. Man baute sogar den Large Hadron Collider (LHC) genau zu diesem Zweck. Doch er scheiterte. Das bedeutet nicht zwangsläufig, dass die Theorie falsch ist; es zeigt lediglich, dass die Physik komplex ist und das Verständnis der grundlegenden Realität Zeit braucht.
1. Photonen
Ah, das bescheidene Photon. Jeder kennt Photonen. Photonen sind die Bestandteile des Lichts, wie wir es kennen – winzige Teilchen elektromagnetischer Energie, die es dem Licht ermöglichen, sich sowohl wie ein Teilchen als auch wie eine Welle zu verhalten. Natürlich sind Photonen mehr als nur das Licht von Ihrem Handybildschirm, das Ihre Augen erreicht und Ihnen das Sehen ermöglicht. Sie sind auch das WLAN, das Ihnen den Zugang zum Internet ermöglicht, ganz zu schweigen von Radiowellen, Mikrowellen, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen und vielem mehr.
Alles, was wir sehen, geschieht, weil Photonen existieren, die uns das Sehen ermöglichen. Das bedeutet: Wenn wir das Universum betrachten und einen Stern sehen, der vor einer Milliarde Jahren explodiert ist, haben diese Photonen diese lange Reise hinter sich, um dorthin zu gelangen. Sie sind somit die fleißigen Arbeiter der Teilchenwelt.