FROzine Goes Science: Standardmodell und Spukteilchen

In der zweiten Sendung der Reihe FROzine Goes Science steht das Standardmodell und das Higgs Teilchen im Zentrum des Interesses. Das Standardmodell kann in wenigen Zeilen beschrieben werden und vereint alle Kräfte im Universium. Wenn es da nicht das Mysterium Gravitation gäbe, könnte man alles vereinen, doch das ist nicht der Fall und so sucht man noch nach Teilchen, um die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik zu vereinigen.

Das Standardmodell

Was die Welt im Innersten zusammenhält, ist eine Frage, die nun Kosmolgen und TeilchenphysikerInnen beschäftigt. Was also ist des Pudels Cern? Wenn Etwas zusammengehalten wird, dann denkt man unweigerlich an eine Kraft. Es muss ja etwas „gehalten“ werden. In der Physik kennt man 4 Grundkräfte zurück. Den Elektromagnetismus, die schwache Kraft und die starke Kernkraft. Und das größte Mysterium: die Gravitation. Für die ersten drei Kräfte funktioniert die teilchenphysikalische Beschreibung. Und die Wechselwirkung zwischen den Kraftteilchen und den Materieteilchen kann gut beschrieben werden. Das Problem liegt aber bei der Gravitation, da die Quantentheorie nicht mit der Allgemeinen Relativitätstheorie vereinbar ist.

Seit Newton wissen wir, dass die Gravitation die Planeten in den Bahnen hält. Die Gravitation ist bei großen Massen eine große Kraft. Doch wie ist es hier auf der Erde?
Die Gravitationskräfte sind im Nanobereich extrem klein, also schwach. Und deshalb auch schwer beschreibbar. Sie ist eine experimentell bestätigte Kraft und durch die Allgemeine Relativitätstheorie exakt beschrieben; doch die Einstein’sche Theorie ist mehr eine geometrische Theorie, die mit der Raum-Zeitkrümmung arbeitet. Es ist keine Teilchentheorie, sondern Masse krümmt das Raum-Zeitgefüge und bewirkt damit den vermeintlichen Anziehungseffekt – die Gravitation.

Die Gravitation widersetzt sich einer großen einheitlichen Theorie, da die quantenmechanische Beschreibung noch nicht funktioniert, also mit der Interaktion von Teilchen. Findet man noch das Graviton im Standardmodell? Ist die Gravitation überhaupt eine Kraft oder doch ein Mysterium? Oder ein eigenes Phänomen, dass noch auf eine zusätzliche Beschreibung wartet?

Die Interaktion, die Wechelwirkung, ist für die Beschreibung der Kräfte wesentlich. Materieteilchen tauschen Kraftteilchen aus. Im Standardmodell sind die Kräfte und die Wechselwirkungen beschrieben.

Blitze und Funkenflug

Am Ende des 18. Jahrhunderts als Lichtenberg in Göttingen im „Experimental Physik Kollegg“ mit Harz und Katzenfell experimentierte und nach Blitzen forschte, fragte man sich noch, wie Hausfrauen und Dienstmädchen in Zukunft mit Zink, Kupfer und stinkender Brühe, also den ersten Prototypen von Batterien, die eben einer stinken Brühe gleich kamen, Tee kochen sollten? Denn wer braucht zuhause schon Blitze und Funkenflug? Die Alltäglichkeit von Strom war noch nicht denkbar. Erst mit Faraday und Maxwell konnte man viel später den Zusammenhang von Elektrizität und Magnetismus erklären, da man die Teilchen erst noch finden musste. Die Photonen und Elektronen; dies war die erste Verallgemeinerung in der Beschreibung der Kräfte.

Die elektroschwache Theorie, die Elektromagnetismus und starke Kernkraft vereint, ist die zweite Verallgemeinerung. Die schwache Kraft, wird beim Zerfall radioaktiven Materials ersichtlich. „Elektro-schwach“, weil die Theorie mit dem Elektromagnetismus vereint wurde. Übrigens wurden die sogenannten W- und Z-Bosonen in Cern gefunden. Im Fall der schwachen Kraft sind Quarks die Materieteilchen und die W- und Z-Bosonen, die Kraftteilchen.

Die starke Kernkraft setzt sich aus Quarks und Gluonen zusammen. Der Begriff Quarks geht im Übrigen auf Murray Gell-Mann zurück, der das Wort aus James Joyce‘ Finnegans Wake entliehen hat.

Jede Kraft setzt sich aus Materieteilchen und Kraftteilchen, genauer den Fermionen und Bosonen, zusammen. Quantenphysikalisch ist die Gravitation eine sehr schwache Kraft, die sich sehr schwer beobachten läßt. Im subatomaren Bereich aber läßt sich die Gravitation aber nur sehr schwer beobachten. Das Standardmodell ist eine Liste, in der das Graviton und das Higgsboson noch fehlen. Das Higgsboson steht für ein Feld, das Teilchen ihre Masse zuordnet. Populär wurde das Higgsboson, als man es Geisterteilchen, Spukteilchen oder Gottteilchen nannte. Seit mehr als 40 Jahren suchen PhysikerInnen danach und manche wollen es sogar nicht finden.

Auf der Suche nach dem Mysterium Gravitation und Higgsteilchen haben wir Cern-PhysikerInnen befragt. Die Fragen stellte Harald Purrer. In der Sendung zu hören sind Claudia Wulz, Werner Riegler, Michael Doser, Niko Neufeld und Martin Aleksa.

Eine Sendung von Pamela Neuwirth