Farbige Kreise als Darstellung aller Quarks und Anti-Quarks

Vom Rosinenkuchen zum Quark – eine Reise in die Geschichte der kleinsten Teilchen

Die Vorstellung vom Aufbau der Materie aus kleinsten Teilchen stammt bereits aus dem fünften Jahrhundert vor Christus. Damals formulierten die Philosophen Leukipp und Demokrit eine Theorie, nach der alles aus kleinsten, nicht teilbaren Teilchen aufgebaut ist. Diese Teilchen nannten sie Atome. „Atomos“ ist Griechisch und bedeutet unteilbar. Heute weiß man, dass Atome keineswegs unteilbar sind und dass sie aus weiteren kleinen Teilchen bestehen – den Elektronen und den aus Quarks aufgebauten Protonen und Neutronen. 

Wie alles begann...

Schematischer Aufbau der Kathodenstrahl-Röhre von Thomson
Kathodenstrahl-Röhre

Die erste wichtige Entdeckung der modernen Atom- und Teilchenphysik machte der Physiker Joseph John Thomson im Jahr 1897. Thomson arbeitete zu dieser Zeit als Professor für Physik am Cavendish-Laboratorium in Cambridge und beschäftigte sich mit Kathodenstrahlen. Damals erhitzte man negativ geladene Platten – sogenannte Kathoden – und beobachtete, dass sie eine negativ geladene Strahlung aussendeten. Thomson zeigte dass diese Kathodenstrahlung aus kleinen Teilchen besteht, die sich bei Erhitzung von dem Kathodenmaterial lösen. Mithilfe einer geschickten Anordnung von magnetischen und elektrischen Feldern bestimmte er das Verhältnis der elektrischen Ladung zur Masse dieser Teilchen. Damit hatte er das Elektron entdeckt. Außerdem bewies Thomson, dass alle Atome identische Elektronen besitzen, da trotz unterschiedlicher Kathodenmaterialien das Verhältnis von der Ladung zur Masse der Teilchen immer gleich blieb.

Das erste Atommodell und eine unglaubliche Entdeckung

Wilhelm Wien beschäftigte sich als einer der ersten Physiker mit einer positiv geladenen Ionenstrahlung. Auch Thomson schloss sich der Erforschung dieser positiven Ladung an und entwickelte 1903 das sogenannte Rosinenkuchenmodell für Atome: Nach diesem Modell sollten die Elektronen wie Rosinen in einer gleichmäßigen, positiv geladenen Masse verteilt sein.

Unter einem großen roten Pfeil stehen Jahreszahlen und um den Pfeil herum stehen farbige Sprech- und Denkblasen in denen wichtige Meilensteine der Teilchenphysik beschrieben stehen.
Zeitstrahl

Doch sechs Jahre später widerlegte Ernest Rutherford das Rosinenkuchenmodell. Er fand heraus, dass die Masse des Atoms nicht gleichmäßig im gesamten Atom verteilt sondern im Kern zentriert ist. In seinem Experiment richtete er Strahlen aus Alphateilchen – ein Alphateilchen besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen – auf eine dünne Goldfolie. Dabei beobachtete er, dass die meisten Teilchen ungehindert durch die Folie gelangten einige wenige aber abgelenkt wurden. Die Goldatome mussten also ein sehr massives Zentrum besitzen, an dem einige der Alphateilchen zurückprallten. Seine Ergebnisse beschrieb Rutherford als „so unglaublich, als ob man mit ei­ner Pistole auf einen Wattebausch schießt, und die Kugel zurückprallt.“

Schema eines Lithium-Atoms. In der Mitte befindet sich ein violett eingefärbter Atomkern. Das innere Orbital wird durch eine dunkelblaue Scheibe mit zwei Elektronen als Kugeln um den Atomkern dargestellt, das äußere Orbital durch eine größere, hellblaue Scheibe mit einem Elektron als Kugel um den Atomkern.
Lithium-Atom nach dem Orbitalmodell

1911 hatte Rutherford dann sein eigenes Atommodell aufgestellt: Danach befindet sich der Hauptteil der Atommasse im Kern und ist positiv geladen. Die leichteren Elektronen hingegen verteilen sich um den Kern herum. Niels Bohr führte dieses Modell weiter indem er die These aufstellte, dass die Elektronen in geschlossenen Bahnen um den Atomkern kreisen.

Heutzutage beschreiben Wissenschaftler ein Atom meist mit dem quantenmechanischen Orbitalmodell. Als Konsequenz der sogenannten Heisenbergschen Unschärferelation kreisen die Elektronen nicht auf festen Bahnen, sondern bewegen sich in einer sogenannten Elektronenwolke um den Kern herum. In diesem Modell kann man keinen konkreten Aufenthaltsort eines Elektrons bestimmen sondern nur eine bestimmte Aufenthaltswahrscheinlichkeit an einem Ort. 

Und was steckt im Atomkern?

Ein paar Jahre nachdem Rutherford sein Atommodell aufgestellt hatte, entdeckte er das Proton und identifizierte es als Baustein aller Atomkerne. Den zweiten Baustein der Atomkerne, das Neutron, entdeckte James Chadwick im Jahr 1932. Er war ein Schüler und enger Mitarbeiter von Ernest Rutherford.

In der linken Spalte stellen drei Mal sechs farbige Kreise die Quarks dar. In der rechten Spalte analog die Anti-Quarks.
Quarks und Anti-Quarks

Nachdem die Struktur des Atoms und seine Bestandteile geklärt waren, fing die Suche nach neuen und unbekannten Teilchen an. Ab dem Jahr 1960 gelang es Wissenschaftlern mithilfe von Teilchenbeschleunigern, viele neue Teilchen zu erzeugen und zu erforschen. Gleichzeitig entwickelten sie das Standardmodell der Elementarteilchenphysik. Es ist eine Theorie, die alle bisher bekannten Elementarteilchen und deren gegenseitige Wechselwirkung beschreibt. Dazu gehört unter anderem ein Ordnungsschema, das die Protonen und Neutronen als sogenannte Baryonen einstuft. Baryonen sind Teilchen, die aus drei noch kleineren Teilchen – den Quarks – aufgebaut sind.

Nachdem anfangs in den theoretischen Überlegungen noch drei verschiedene Quarktypen zur Erklärung des Aufbaus der Materie ausreichten, entdeckten Teilchenphysiker im Laufe der Zeit noch weitere Quarks. Bis heute kennen wir sechs verschiedene Quarktypen, die sich in ihrer Masse unterscheiden – sie heißen Up, Down, Strange, Charm, Top und Bottom.

Teilchenphysik heute

Schematische Darstellung des LHC-Tunnels mit seinen vier großen Experimenten und deren Kavernen unter der Erde. Auf der Erdoberfläche ist die Französisch-Schweizerische Grenze eingezeichnet.
Der LHC und seine Experimente

2008 ging der bis heute weltgrößte Teilchenbeschleuniger am CERN in Genf in Betrieb. Der Large Hadron Collider – kurz LHC – hat einen Umfang von 27 Kilometern und beschleunigt Protonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Die Protonen erreichen dabei so hohe Energien wie in keinem anderen Teilchenbeschleuniger zuvor. Für die Wissenschaftler bedeutet dies, dass sie womöglich neue Teilchen entdecken können, die sehr hohe Massen besitzen.

Ein Teilchen, nach dem schon lange gesucht wird ist das Higgs-Teilchen. Es ist benannt nach dem theoretischen Physiker Peter Higgs. Bis heute ist das Higgs-Teilchen allerdings nur theoretisch vorhergesagt. Es soll der letzte fehlende Baustein im Standardmodell der Teilchenphysik sein.

Am 4. Juli 2012 entdeckten Wissenschaftler am CERN ein neues Teilchen, das tatsächlich auf die Existenz des Higgs-Teilchens hinweist. Ob es aber wirklich das lang gesuchte Teilchen ist, müssen die Forscher noch herausfinden.

Teil des LHC-Beschleunigers im Tunnel.
Der LHC-Beschleuniger in Genf

In den kommenden zwei Jahren wird der Betrieb des LHC zunächst eingestellt. In dieser Zeit wird der Beschleuniger umgebaut, um die Protonen auf noch höhere Energien zu beschleunigen. Bis zum nächsten Start werden auch die riesigen Datenmengen ausgewertet, die die Forscher angesammelt haben und die womöglich verraten, ob das Higgs-Teilchen existiert. Am Ende der For­schung sind die Teilchenphysiker noch lange nicht.