Die Entdeckung des Top-Quarks

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Die Entdeckung des Top-Quarks

Passend zum Weltjahr der Physik jährt sich 2005 die Entdeckung des "Top-Quark". Erst 1995 konnte dieser Materiebaustein am Fermi-Lab in Chicago entdeckt werden - 18 Jahre, nachdem man das "Bottom"-Quark entdeckt hatte. Vor 1995 gab es noch keine Geräte die mit den notwendigen hohen Energien umgehen konnten.

Das "Top-Quark" ist ein so genanntes Elementarteilchen, also ein Atom-Baustein. Das auch Atome zusammengesetzt und nicht unteilbar sind, wie man früher gedacht hat (gr. a tomo= "unteilbar"), weiß man spätestens seit den 1940er Jahren, als man in Amerika im Rahmen des "Manhattan Project" die erste Atombombe gebaut hat.

Das DESY-Institut in Hamburg. Die gestrichelten Bahnen sind die Beschleunigerringe. In ihnen rasen Teilchen fast so schnell wie das Licht unterirdisch durch die Stadt. Foto: DESY, Hamburg

Um Materie auf der Ebene von Atomen zu untersuchen, sie also in ihre Bausteine zu zerlegen, braucht man große Energien. Denn die Bausteine halten sehr gut zusammen. Die Maschinen, in denen man solche Energien erzeugen kann, nennt man Teilchenbeschleuniger. Dort werden geladene Teilchen (Elektronen, Protonen oder sogar Ionen) aufeinandergeschossen, um die Bruchstücke zu untersuchen.

Hier stößt ein Elektron mit einem Quark im Inneren eines Protons zusammen. Das Quark lässt sich dabei nur indirekt nachweisen (drei blaue Pfeile). Foto: DESY, Hamburg

Man kann sich so ein geladenes Teilchen wie einen Legostein vorstellen, der aussieht, als wäre er aus einem Stück. Aber in Wirklichkeit ist er aus noch kleineren Steinen zusammengesetzt, die von selbst sehr stark aneinander haften. In einem Teilchenbeschleuniger werden sie durch Magnetfelder in großen, luftleeren Röhren entlang einer Kreisbahn mit mehreren Kilometern Durchmesser fast bis auf Lichtgeschwindigkeit (~300000 km/s) beschleunigt.

So sieht schematisch ein Teilchendetektor aus. Die roten Linien sind Bahnen der Teilchenbruchstücke. Foto: DESY, Hamburg

Zusammenstöße im Namen der Wissenschaft

Damit genug Zusammenstöße passieren, schießt man nicht nur einzelne Teilchen, sondern zwei Teilchenwolken in entgegengesetzter Richtung durch einen Beschleuniger. Durch geschickte Steuerung der Magnetfelder stoßen die Teilchenstrahlen an bestimmten Stellen frontal zusammen. Dort sind viele Detektoren aufgebaut, um die Bruchstücke zu untersuchen.

Je schneller die Teilchen sind, umso genauere Informationen bekommt man über den Aufbau. Stell dir vor, du schmeißt eine Flasche auf den Boden. Je größer die Wucht ist, desto kleiner werden die Splitter, die du untersuchen kannst.

So sehen die Bilder aus, die die Detektoren in einem Teilchenbeschleuniger liefern. Hier ist die Entdeckung des "Gluons" zu sehen, ein Teilchen, das für den Zusammenhalt der Materie sorgt. Foto: DESY, Hamburg

Aber man arbeitet im Bereich der Lichtgeschwindigkeit. Das heißt, es wird immer schwerer, die Geschwindigkeit zu steigern. Um von 99,5 auf 99,6 Prozent der Lichtgeschwindigkeit zu kommen, braucht man viel mehr Energie, als von 99,4 auf 99,5 Prozent zu kommen. Für eine Steigerung der Geschwindigkeit waren also neue Maschinen nötig. Geklappt hat der Nachweis des Top-Quark schließlich am so genannten "Tevatron"-Beschleuniger am Fermi-Lab bei Chicago.

Der ZEUS-Detektor im DESY-Forschungszentrum. Teilchenphysiker arbeiten mit riesigen Maschinen, um der Materie ihre Geheimnisse zu entlocken. Foto: DESY, Hamburg

Die Lichtgeschwindigkeit selbst kann man nie erreichen. Das hat Einstein mit seiner berühmter Formel E=mc2 bewiesen. Je schneller die Teilchen werden, desto schwerer werden sie auch. Bei Lichtgeschwindigkeit würden Teilchen, die eine Masse besitzen, unendlich schwer werden und man bräuchte unendlich große Energien, um sie zu beschleunigen. Man kann also bestenfalls 99,99999999... Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreichen.

Spaßige Physiker und seltsame Teilchen

Weil es ganz neue Eigenschaften sind, die die Quarks auszeichnen, haben sich die Physiker einen Spaß daraus gemacht und sprechen bei Quarks von "Flavour" (Geschmack) und "Colour" (Farbe). Diese Bezeichnungen haben nichts mit einer Farbigkeit oder dem Geschmack dieser Teilchen zu tun, sondern helfen, ihr Zusammenspiel zu beschreiben. Das geschieht mit Hilfe der Quantenchromodynamik.

Quarks kommen in der Natur nie alleine vor, sondern immer in Gruppen von zwei oder drei. Sie haben verschiedene Ladungen und bilden je nach Farbigkeit dadurch die Teilchen auf der nächsthöheren Materiestufe.

Experimente deuten darauf hin, dass die Quarks wirklich elementar sind und nicht aus noch kleineren Teilchen bestehen. Damit ihr euch die Größenverhältnisse besser vorstellen könnt: Würde man ein Quark auf die Größe eines Millimeters aufblasen, dann hätte im Vergleich ein Atom einen Durchmesser von 100 km und ein Proton immerhin noch einen Meter.

Erklärungen:

Immer tiefer in die Materie. Hier siehst du die Bausteine der Materie im Größenvergleich. Foto: DESY, Hamburg

Quark: Die Bezeichnung Quark stammt aus dem Roman "Finnegan´s Wake" des irischen Autors James Joyce. Dort fällt der (bedeutungslose) Satz "Three Quarks for Muster Mark".

Elektron: Griechisch = "Bernstein". Schon die alten Griechen wussten, dass man statische Elektrizität erzeugen kann, indem man Bernstein mit einem Tuch reibt. In der Physik versteht man unter einem Elektron ein negativ geladenes Teilchen.

Proton: Das Proton gehört mit dem Neutron zum Kern eines Atoms. Es ist genau entgegengesetzt zum Elektron positiv geladen, ist aber viel schwerer.

Neutron: Das Neutron ist elektrisch neutral. Zusammen mit dem Proton wird es als "Nukleon" bezeichnet (Kernbaustein des Atoms).

Ion: Der Begriff "Ion" kommt aus dem Griechischen und bedeutet "Wanderer". Ein Ion ist ein elektrisch geladenes Atom, dem etwa ein Elektron fehlt oder hinzugefügt wurde. Dadurch ist es nicht mehr neutral und wandert in einem elektrischen oder magnetischen Feld.

DESY: DESY ist die Abkürzung für "Deutsches Elektronen-SYnchrotron". Ein Synchrotron ist eine bestimmte Art von Teilchenbeschleuniger. Mehr findest du hier.

Fermi-Lab: Das Fermi-Lab ist, ebenso wie das DESY, ein Teilchenbeschleunigerlabor in der Nähe von Chicago. Benannt ist es nach dem italienischen Physiker Enrico Fermi.

Übrigens...

Wusstest du, dass wir wirklich Kinder der Sterne sind? Die schweren Elemente, aus denen die Erde, wir Menschen und alles um uns herum aufgebaut ist, ist vor Milliarden Jahren im Inneren von Sternen erzeugt worden. 85 Prozent der Materie des Sonnensystems stammt sogar aus nur einem einzigen Stern. Die Atome, aus denen unsere Körper aufgebaut sind, haben also womöglich schon einmal miteinander reagiert!

Das einfachste Atom ist Wasserstoff (Protium). Er besteht aus nur einem Proton im Kern und einem Elektron in der Hülle. Würde man den Kern auf die Größe eines Streichholzkopfes vergrößern, dann würde das Elektron in einer Entfernung von 150 Metern darum kreisen. Das Elektron wäre dann so groß wie ein Staubkorn (0,1 mm). Ein Atom besteht also zum größten Teil aus - Nichts!

Wasserstoff heißt im Englischen auch Hydrogen. Das bedeutet "Wasser-Erzeuger" und wird zur Element-Bezeichnung H abgekürzt. (2 H-Atome und ein Sauerstoffatom (O von Oxygen=gr. "Erzeuger von Saurem") ergeben ein Wassermolekül H2O).

Links:

WAS IST WAS-Band 79: Moderne Physik

WAS IST WAS-Band 4: Chemie

WAS IST WAS-Band 102: Unser Kosmos

Alle Texte bei WAS IST WAS, die sich mit Physik befassen

Im Kworkquark.net des DESY gibt es mehr Informationen zur Welt der Elementarteilchen

Text: -jj- 25.02. 2005 / Fotos: Mit freundlicher Genehmigung von DESY, Hamburg

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