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Gell-Mann bringt Ordnung in die Theorie

Die Grundlagen der Teilchenphysik

Schließlich schälte sich eine Theorie heraus, die fast alle Teilchen auf wenige Grundbausteine zurückführt: auf sechs Quarks und sechs Leptonen. Unsere normale Materie besteht nur aus vier dieser zwölf Grundteilchen, nämlich aus dem up-Quark und dem down-Quark, dem Elektron und dem Elektron-Neutrino. Die Kernbausteine Proton und Neutron (Nukleonen) setzen sich dabei aus je drei Quarks zusammen. Erst bei wesentlich höheren Energien treten die restlichen Teilchen auf – in sehr starken Beschleunigern oder im Weltall.

James Joyce stand Pate

Quarks in einem Proton © DESY

All diese Überlegungen gehen auf Ideen zurück, die der amerikanische Physiker Murray Gell-Mann in den sechziger Jahren aufgrund seiner mathematischen Betrachtungen entwickelte. Er benannte die Quarks, von denen drei zum Aufbau der damals bekannten Teilchen nötig waren, nach einem Zitat aus James Joyces Roman Finnegans Wake. Dort findet sich der Satz: „Three quarks for Master Mark.“ Heute wissen wir, dass jeweils drei Quarks zusammen ein Proton oder Neutron bilden, aber unter normalen Bedingungen nicht frei existieren können.

„Die Quarks sind sozusagen in den Nukleonen eingekerkert“, sagt Norbert Schmitz. Den Zusammenhalt der Quarks innerhalb eines Nukleons schreibt man so genannten Klebeteilchen zu, den „Gluonen“. Damit die Theorie in sich geschlossen blieb, musste Gell-Mann noch eine weitere Quantenzahl, also ein Charakteristikum für Teilchen, einführen. Er nannte sie „Farbe“, und sie kann drei verschiedene Werte annehmen. Nicht dass Teilchen eine wirkliche Farbe besäßen, es handelt sich lediglich um eine aus der Makrowelt entlehnte Namensgebung. Die Theorie, die sich damit auseinandersetzt, heißt entsprechend dem Farbbild „Quantenchromodynamik“ (QCD).

Lebensdauer von nur Quadrillionstel Sekunden

Das Wissen über die Elementarteilchen wurde ständig weiter verfeinert. Und so gelang es im vergangenen Jahrhundert wie einst bei der Auswertung des Periodensystems der Elemente, Typen vorherzusagen, die experimentell noch nicht bekannt, aber von der Theorie zu erwarten waren. In den Beschleunigern suchten Forscher nach diesen Teilchen, die meist nur eine Lebensdauer von weniger als einem Quadrillionstel einer Sekunde besaßen, also nach unvorstellbar kurzer Zeit wieder zerfielen.

Gluonenspuren nach Beschleunigerversuch © DESY

Viele der prophezeiten Kandidaten wurden schließlich gefunden; Physiker aus der ganzen Welt ernteten damit Nobelpreise. Wenn ein Teilchen mit einem anderen zusammenstößt, entstehen bei den hohen Energien viele neue; Dutzende von Spuren in den Detektoren zeugen von den komplizierten Vorgängen. Oft finden sich Paare so genannter Jets, die aus Bündeln energiereicher, neu formierter Teilchen bestehen und mit hoher Geschwindigkeit in entgegengesetzte Richtungen aus dem Zentrum des Geschehens herausschießen.

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Die Fülle der Signale ist aber immer noch übersichtlich gegenüber dem, was passiert, wenn zwei schwere Atomkerne wie die von Gold aufeinander prallen. Immerhin enthält jeder Goldkern 79 Protonen und 118 Neutronen. Nur bei derartig „großen“ Objekten kann ein superheißes Inferno entstehen, wie es beim Urknall wahrscheinlich geherrscht hat.

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Stand: 23.01.2004

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

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