Auf der Suche nach den kleinsten Teilchen

Das 20. Jahrhundert war DAS Jahrhundert der Physik. Albert Einstein entwickelte seine Relativitätstheorie, Max Planck die Quantentheorie, man entdeckte die Antimaterie. Mit riesigen Teleskopen blicken die Forscher heute ins Innere des Alls, mit Teilchenbeschleunigern erzeugen sie Energien, wie sie am Anfang des Universums geherrscht haben müssen. Und all das brachte sie dem Verständnis unseres Universums ein großes Stück näher

Alle Materie - ob Mensch, Tier oder Pflanze, Stern oder Galaxie - besteht aus drei Teilchen. Weil diese kleinsten Bausteine, anders als Atome oder Nukleonen, nicht mehr weiter teilbar sind, heißen sie auch Elementarteilchen.

Wie Demokrit die Lehre von den Atomen begründete

Schon die alten Griechen fragten sich, woraus die Welt um uns herum besteht. Einer von ihnen, der Philosoph Demokrit, kam auf den Gedanken, dass sich alle Materie aus kleinsten unteilbaren Teilchen zusammensetzt. Er nannte sie Atome („atomos“ ist das griechische Wort für unteilbar). Viele Jahrhunderte später entdeckte man die Atome tatsächlich. Und man fand heraus, dass sich Atome zu größeren Gebilden, den Molekülen, zusammenschließen. Atome und Moleküle sind die Bausteine aller Stoffe, die uns umgeben.
Spätere Experimente zeigten allerdings, dass die Atome ihren Namen zu Unrecht trugen: Sie waren keineswegs unteilbar, sondern aus noch kleineren Teilchen zusammengesetzt.

 

Was fanden die Physiker im Innern der Atome?

Die Masse eines Atoms ist in einem winzigen Kern konzentriert, der aus zwei Teilchen besteht: positiv geladenen Protonen und Neutronen, die elektrisch neutral sind. Man nennt sie auch Nukleonen (vom lateinischen Wort "nucleus" für Kern). Weitere Experimente zeigten, dass auch die Nukleonen aus noch kleineren Bestandteilen zusammengesetzt sind. Den Kern umkreisen Elektronen - negativ geladene Teilchen mit einer winzigen Masse.

Elektronen und Quarks

Heute haben die Physiker auch den Aufbau der Nukleonen weitgehend entschlüsselt. Alle Materie - ob Mensch, Tier oder Pflanze, Stern oder Galaxie - besteht aus drei Teilchen. Weil diese kleinsten Bausteine, anders als Atome oder Nukleonen, nicht mehr weiter teilbar sind, heißen sie auch Elementarteilchen.

1897 entdeckte der britische Physiker J.J. Thomson das erste von ihnen: das Elektron. Den anderen beiden Teilchen kam man erst in den 1970er Jahren auf die Spur: Es sind die Quarks, genauer die Up- und Down-Quarks. Quarks sind sehr gesellige Teilchen: Sie treten immer nur in Gruppen auf, einzelne Quarks gibt es nicht. Quarks sind die Bestandteile der Nukleonen: Je drei von ihnen bilden ein Proton oder ein Neutron.

Wie können Physiker die Elementarteilchen erforschen?

Elementarteilchen sind so winzig, dass wir sie nicht einmal unter einem starken Mikroskop erkennen können. Um sie zu erforschen, benötigt man große Anlagen, in denen elektrisch geladene Teilchen durch Anlegen einer Spannung auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden - die so genannten Teilchenbeschleuniger. Ein solcher Beschleuniger ist HERA, eine Speicherringanlage beim Kernforschungszentrum DESY in Hamburg. Protonen und Elektronen werden dort fast mit Lichtgeschwindigkeit zum Zusammenstoß gebracht. Dabei dringen die Elektronen in die Protonen ein und "durchleuchten" so ihr Inneres.