Das Unsichtbare sichtbar machen

Das Experiment ZEUS bei DESY.

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Das Experiment ZEUS bei DESY. Hinten: die Technik. Vorne: ihre Betreiber.

Eines steht fest: Kein Mensch hat jemals ein Elektron oder eines der anderen Elementarteilchen mit eigenen Augen gesehen. Auch jene Physiker nicht, die ständig neue Zahlen über die Winzigkeit dieser Teilchen veröffentlichen, dabei in fernen Städten tagen und dort über neue Instrumente beraten, mit denen das Unsichtbare endlich noch sichtbarer gemacht werden soll.

Schwerer hingegen fällt es, die kilometerlangen Teilchenbeschleuniger und hochhausgroßen Nachweisgeräten zu übersehen, mit deren Hilfe dem Verhalten der Elementarteilchen auf die Schliche gekommen werden soll. Alle großen Teilchenphysikzentren wie DESY in Hamburg oder CERN bei Genf bieten Besuchern die Möglichkeit vor die Schreine der Teilchenwahrheit zu treten. Nicht wenige geraten beim Anblick isn Staunen.

Die Geräte sind so kompliziert, dass sie von einer Armada an Wissenschaftlern betreut werden müssen. An modernen Experimenten sind bis zu 2000 Wissenschaftler aus der ganzen Welt beteiligt. Da gibt es keinen Menschen mehr, der über Sinn und Zweck eines jeden Chips oder Überdruckventils Bescheid weiß. Seit langer Zeit sind Spezialisierung und Teamgeist gefragt. Auch wenn es darum geht, die reichlich unanschaulichen Daten aus den Nachweisgeräten auszuwerten und daraus Rückschlüsse auf das Verhalten von Elektronen und Quarks zu ziehen.

Unverzichtbar wird da Kollege Computer. Und ganz nebenbei wird dann auch schon einmal das WWW, das World Wide Web, erfunden, um die Kommunikation zwischen den Wissenschaftlern zu erleichtern, die doch über den ganzen Erdball verstreut sind. So geschehen Ende der 1980er Jahren am CERN.

Theorie

Doch ebenso wichtig, wie das Schrauben und Hämmern, das Kalibrieren und Messen, ist die Theorie. Wer das soziale Gefüge einer Gepardenfamilie untersucht, kann drauf losforschen; geht ins Feld und studiert, ohne allzu große mathematische Kraftanstrengungen zu leisten. Das Verhalten der Elementarteilchen ist unserer Alltagserfahrung jedoch so fremd, dass der Einsatz von Mathematik unabdingbar wird.

Die so genannte Lagrangedichte des Standard-Modells.

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Nichts für das ungeübte Auge: Die so genannte Lagrangedichte des Standard-Modells beschreibt, welche Teilchen es gibt und wie sie sich verhalten.

Wie Anfang der 60er Jahre, als die Theoretiker Gell-Mann und Zweig vorhersagten, dass viele der bis dahin entdeckten Teilchen aus so genannten Quarks bestehen. Die beiden Physiker wollten Ordnung schaffen, aufräumen im Teilchenzoo, der sich im Laufe der Zeit angesammelt hatte. Wie in einen großen Setzkasten trugen sie die Teilchen zusammen und entdeckten Muster, deren Ordnung sie mit mathematischer Hilfe genau beschreiben konnten. Dabei stießen die Forscher auf einen freien Platz, ein Loch im System. Gestopft werden konnte es wenige Jahre später, als Experimentatoren mit dem Omega-Minus auf ein Teilchen stießen, das genau die Eigenschaften hatte, die Gell-Mann und Zweig vorhergesagt hatten. Auch die Existenz von Antimaterie oder den Neutrinos wurde zuerst von Theoretikern gefordert und danach von Experimentatoren bestätigt.

Um die Ecke geschaut

Würde Teilchenphysik nur mit Tafel und Kreide, Bleistift und Papier betrieben, so wäre sie weitaus preiswerter. Doch die beste Theorie taugt nur wenig, wenn sie sich nicht experimentellen Überprüfungen stellt. Und dafür brauchen Physiker eben ihre riesigen Beschleuniger und Nachweisgeräte. Darin lassen sie Teilchen aufeinanderprallen und untersuchen, was beim Zusammenstoß entsteht. Wichtig ist halt, was hinten herauskommt. Physiker nennen diesen Vorgang "Streuung".

Beim Lesen dieser Zeilen geschieht nichts anderes. Dabei werden die Buchstaben des Textes aufgrund der Lichtteilchen rekonstruiert, die auf das Blatt fallen und von dort gestreut werden oder nicht. Einige werden direkt von der Druckerschwärze geschluckt, andere werden in Ihr Auge reflektiert. Zwar können Sie die Buchstaben nur über den Umweg der reflektierten Teilchen wahrnehmen, aber dennoch sind Sie sich sicher darüber, was da vor Ihnen liegt.

Entdeckung des Gluons

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Nichts für das ungeübte Auge: Mit diesem Detektorbild wurde das Gluon entdeckt.

Die Streuung ist das Prinzip eines jeden Teilchenphysikexperiments. Um jedoch tiefer ins Innere der Materie zu blicken, sind dabei immer höhere Energien notwendig - dies ist ein eisernes und recht kostspieliges Gesetz der Teilchenphysik. Daher werden die Teilchen in Beschleunigern zunächst auf extrem hohe Energien gebracht. Mit nahezu Lichtgeschwindigkeit rasen die Objekte des Mikrokosmos dann durch die Leere der evakuierten Beschleunigerröhren. Stoßen dann zwei von ihnen aufeinander, wird in einem winzigen Raumbereich wird dann oftmals so viel Energie frei, dass sich daraus Teilchen bilden, wie sie im Universum kurz nach dem Urknall noch auf der Tagesordnung standen. Doch mit der Zeit kühlte das Universum ab. Und damit trat auch das Massensterben der Teilchen ein, die erst in modernen Teilchenphysikexperimenten erneut zum Leben erweckt werden.

Wenn die Zusammenstöße aufgezeichnet wurden, beginnt die Fleißarbeit. Die Elektronik übernimmt zwar die Messung der Teilchen, die entstanden sind. Das sind jedoch nur elektrische Signale oder Schwärzungen eines photographischen Gels. Physiker müssen diese Daten mit Inhalt und Interpretation füllen. Erst dann hat das Unsichtbare ein Gesicht bekommen, das es mit der Theorie zu vergleichen gilt.