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Von The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind , ein Insiderbericht über die Betriebsgeschichte des LHC und die Suche nach dem Higgs-Boson, von Don Lincoln. Veröffentlicht von Johns Hopkins University Press. Nachdruck mit Genehmigung des Verlags.
Der Mathematiker der viktorianischen Ära Augustus de Morgan schrieb:
Große Flöhe haben kleine Flöhe auf ihrem Rücken, die sie beißen
Und kleine Flöhe haben kleinere Flöhe, und so weiter und so fort.
Und die großen Flöhe haben ihrerseits größere Flöhe, um weiterzugehen,
während diese wiederum noch größere und noch größere haben, und so weiter.
Diese oft zitierte Stelle ist eine Parodie auf Jonathan Swifts 1733 erschienenes Werk On Poetry: A Rhapsody , das über Poesie geschrieben wurde. Wissenschaftler haben diese Zeilen jedoch als Metapher für die natürliche Welt aufgefasst. Wenn man etwas über die Mikrowelt lernt, wird man schnell mit der Feststellung konfrontiert, dass alle Materie aus Molekülen aufgebaut ist. Moleküle bestehen wiederum aus Atomen, die ihrerseits aus Elektronen und Atomkernen bestehen. Die Kerne bestehen aus Protonen und Neutronen, und diese sind aus Quarks zusammengesetzt.
Aber soweit wir wissen, sind das Quarks und Elektronen. Das ist das Ende der Fahnenstange, was die Struktur anbelangt. Im Gegensatz zum Atom oder Proton, die eine reichhaltige Struktur mit komplexen Wechselwirkungen zwischen ihren Bestandteilen haben, geht man derzeit davon aus, dass die Quarks und Elektronen überhaupt keine innere Struktur haben. Sowohl theoretisch als auch physikalisch werden sie als mathematische Punkte betrachtet.
Natürlich kann jeder, der einen Funken Phantasie hat, nicht umhin zu sagen: „Moment mal. Warum können die Quarks und Leptonen nicht selbst eine innere Struktur haben?“ Nun, es gibt nur eine mögliche Antwort: „Sie könnten“. Die Quarks und Elektronen (und im weiteren Sinne alle Leptonen) könnten aus noch kleineren Objekten bestehen. Oder sie könnten (eher unwahrscheinlich) tatsächlich fundamental sein (d.h. keine kleineren Teile haben, mit anderen Worten, strukturlos).
Bevor wir weitermachen, sollten wir die Größenverhältnisse betrachten. In der Mikrowelt ist alles klein. Ein einzelnes Molekül ist so klein, dass man eine Million davon nebeneinander auf einem einzigen Millimeter unterbringen könnte. Sie sind so klein, dass man sie mit normalem Licht nicht sehen kann. Und doch sind solche kleinen Objekte enorm groß: eine Milliarde Mal größer als die Forschungsgrenze.
Moleküle setzen sich aus Atomen zusammen, die etwa ein Zehntel so groß sind wie Moleküle. Die Vorstellung eines Atoms als kleines Sonnensystem, mit der Sonne als Kern und planetarischen Elektronen, ist fehlerhaft und doch nicht unberechtigt. Es unterstreicht die Tatsache, dass ein Atom größtenteils aus leerem Raum besteht, in dem die Elektronen weit entfernt von einem kleinen, dichten Kern herumschwirren. Der Radius des Kerns ist etwa 10.000 Mal kleiner als der des Atoms und nimmt nur ein Billionstel des Volumens ein.
Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen, die dicht aneinander gepackt sind. Ich stelle mir den Atomkern wie eine Masse von Froscheiern oder Murmeln vor, die von einem Kleinkind mit sehr klebrigen Fingern angefasst wurden. Jedes Proton oder Neutron ist etwa 10 bis 15 Meter breit, und man bräuchte eine Billion aneinandergereihter Protonen, um einen einzigen Millimeter zu überbrücken. Das ist klein.
Protonen und Neutronen enthalten in ihrem Inneren Quarks und Gluonen. Am einfachsten kann man sich ein Proton so vorstellen, dass es zwei Up-Quarks und ein Down-Quark enthält, die in einem Kraftfeld aus Gluonen stecken. Stellen Sie sich drei nummerierte Plastikkugeln in einer dieser luftgefüllten Lottomaschinen vor, und Sie haben die Grundidee.
Aber die Vorstellung von Quarks als Plastikkugeln hat einen großen Fehler. Die Kugeln sind nicht viel kleiner als eine Lottomaschine. Quarks sind klein. Vielleicht ist es besser, sich das Proton als drei kleine Styroporflecken in derselben Maschine vorzustellen.
Was wissen wir also über die Größe von Quarks? Ich habe vorhin gesagt, dass sie keine Größe haben, und so werden sie auch in der aktuellen Theorie behandelt. Aber als Experimentator bin ich mehr mit Messungen beschäftigt. Sie, der Leser, sind sicher neugierig darauf, was die Messungen über die Größe eines Quarks ergeben haben. Und nun die Antwort … ein Trommelwirbel bitte … sie haben es nicht. Das heißt aber nicht, dass wir nichts über ihre Größe wissen. Wir haben diese Frage ziemlich gründlich untersucht, und wir wissen genau, wie gut unsere Ausrüstung ist. Wenn Quarks (und Elektronen) größer als etwa zehntausendmal kleiner als ein Proton wären, hätten wir gesehen, dass sie eine Größe haben. In all unseren Experimenten haben wir nie auch nur den geringsten glaubhaften Hinweis auf eine Größe gesehen. Daraus schließen wir, dass wir zwar nicht sagen können, wie groß ein Quark oder ein Elektron tatsächlich ist, aber wir können mit Sicherheit sagen, dass Quarks, wenn sie überhaupt eine Größe haben, kleiner als ein Zehntausendstel der Größe eines Protons sind.
Wenn diese Vorstellung schwer zu verstehen ist, betrachten wir einmal, wie klein ein Objekt ist, das wir mit unseren Augen sehen können. Ein Sandkorn kann man leicht sehen. Mit sehr viel Mühe können Sie vielleicht das kleinste Stückchen Mehl in Ihrem Schrank sehen. Aber das war’s auch schon. Mit dem bloßen Auge können Sie nichts Kleineres sehen. Wenn du also beschließt, einen Keim mit dem Auge zu betrachten, könntest du zu dem Schluss kommen, dass er keine Größe hat, aber die streng korrekte Schlussfolgerung, die du ziehen solltest, ist, dass Keime kleiner sind als ein winziger Mehlfleck.
Mit einer besseren Ausrüstung, zum Beispiel einem leistungsstarken Mikroskop, kann man sehen, dass Keime tatsächlich eine messbare Größe haben. Wenn man also an die Grenzen der eigenen Ausrüstung stößt, muss man sich einfach ein leistungsfähigeres Mikroskop besorgen. Das Mikroskop, das der LHC und seine beiden Hauptdetektoren sind, wird die Größe von Quarks beobachten, wenn sie nicht kleiner als 20 oder 30 Tausendstel der Größe eines Protons sind … oder sie werden eine Grenze setzen, die etwa zwei- oder dreimal kleiner ist als bisher angenommen.
Während Beobachtungen, Intuition und de Morgans Liedchen ausreichen mögen, um den beiläufigen Verdacht zu stützen, dass andere Ebenen der Materie in immer kleineren Größen vorkommen könnten – eine ganz neue Schicht oder Reihe von Schichten in der kosmischen Zwiebel -, gibt es auch mehr wissenschaftliche Gründe. Betrachten wir zum Beispiel das Periodensystem. Während Mendelejew es als Organisationsschema gedacht hatte, wurde mit der Formulierung der Kerntheorie und der Quantenmechanik in den ersten Jahrzehnten des zwanzigsten Jahrhunderts klar, dass das Periodensystem in Wirklichkeit der erste Hinweis auf die atomare Struktur war, ein halbes Jahrhundert bevor wir die Botschaft der Tabelle wirklich verstanden.
Während die Geschichte, die das Periodensystem erzählte, eindeutig auf die atomare Struktur hinwies, deutet die Geschichte der Kernstrahlung auch auf die Struktur des Kerns hin. Zum Beispiel gibt Cäsium ( 137 55 Cs, mit fünfundfünfzig Protonen und zweiundachtzig Neutronen) ein Elektron ab und wird zu Barium ( 137 56 Ba, mit sechsundfünfzig Protonen und einundachtzig Neutronen).
Nehmen wir diese historischen Beispiele und wenden wir die Argumentation auf die moderne Welt an. Wir wissen, dass historische Lektionen nicht immer zutreffen. Aber manchmal tun sie es.
Unser „Periodensystem“ der Teilchen ist in der Abbildung oben dargestellt. Es ist anders aufgebaut als das chemische Periodensystem. In der Abbildung gibt es sechs Arten von Quarks. Die up-, charm- und top-Quarks haben alle eine +⅔-Ladung (in einem System, in dem die Ladung eines Protons +1 ist), und die Masse des charm-Quarks ist größer als die des up-Quarks, das wiederum vom top-Quark übertroffen wird. In ähnlicher Weise haben die down-, strange- und bottom-Quarks alle die elektrische Ladung -⅓, wobei die Masse nach rechts hin zunimmt.
Im modernen Periodensystem sind die „chemisch ähnlichen“ Einheiten die Zeilen, im Gegensatz zu den Spalten des Mendelejewschen Systems. Wir sehen, dass es drei „Generationen“ oder Kohlenstoffkopien desselben Quark- und Leptonenmusters gibt. Dies erinnert stark an die Hinweise, die uns das chemische Periodensystem in der zweiten Hälfte des neunzehnten Jahrhunderts gab.
Es gibt noch eine weitere historische Ähnlichkeit zu beachten. So wie die verschiedenen Atomkerne in andere Kerne zerfallen können, so können auch die Quarks und Leptonen zerfallen. Ein Top-Quark kann in ein Bottom-Quark und ein W-Boson zerfallen. Ebenso kann das Myon in ein Elektron und zwei Neutrinos zerfallen. Andere Arten von Quark- und Leptonenzerfall sind ebenfalls möglich. In der Tat zerfallen alle Teilchen der zweiten und dritten Generation schließlich in die Teilchen der ersten Generation. Ein entscheidender Hinweis ist, dass die einzige Kraft, die ein Quark oder Lepton in ein anderes verwandeln kann (wir sagen „den ‚Flavor‘ des Quarks oder Leptons ändern“), die schwache Kraft ist. Außerdem kann nur das elektrisch geladene W-Boson diese Aufgabe erfüllen.
Es gibt keine stichhaltigen Beweise dafür, dass das Vorhandensein von Quark- und Leptonengenerationen darauf hindeutet, dass Quarks und Leptonen selbst aus kleineren (bisher unentdeckten) Teilchen zusammengesetzt sind. Die historische Analogie ist jedoch sehr aufschlussreich und verdient sicherlich eine nähere Betrachtung. Die Tatsache, dass man durch die Emission eines W-Bosons den Quark- oder Leptonen-Flavor ändern kann, ist ein äußerst wertvoller Hinweis, der den Physikern etwas Wichtiges vorgaukelt.
Ich wünschte nur, ich hätte den Verstand, um zu verstehen, was er sagt.
Aber auch ohne die entscheidende Erkenntnis, die das Rätsel weit aufreißt, können wir auf intelligente Weise über das Thema spekulieren und (was noch viel wichtiger ist) unsere Datenberge durchforsten, um nach weiteren Hinweisen zu suchen. Wie bei jeder Suche nach neuen physikalischen Phänomenen muss man eine fundierte Vermutung darüber anstellen, wonach man suchen muss, und dann danach suchen. Was sind also die wahrscheinlichen experimentellen Anzeichen für die Quarkstruktur?
Historisch gesehen sind die heftigsten Kollisionen einer der besten Orte, um danach zu suchen. Man lässt zwei Objekte aufeinanderprallen und schaut, wie viele Kollisionen es bei jedem Grad der Gewalt gibt. Insbesondere schaut man sich die Menge der „seitlichen Gewalt“ an. Technisch gesehen handelt es sich dabei um einen transversalen Impuls, d. h. senkrecht zum Strahl. Es gibt technische Gründe für diese Wahl, aber meistens liegt es daran, dass man etwas hart treffen muss, damit es sich seitwärts von seiner ursprünglichen Richtung bewegt.
Heute nehmen die meisten Physiker eine abwartende Haltung ein und ziehen es vor, zu sehen, welche Hinweise das Universum uns geben wird. Dennoch wurden Namen für diese Objekte, die kleiner als Quarks sind, vorgeschlagen, wobei der populärste „Preon“ (für Pre-Quark) ist. Jeder theoretische Physiker, der eine Theorie entwickelt hat, hat jedoch seinen eigenen Namen erfunden: Subquarks, Maons, Alphons, Quinks, Rishons, Tweedles, Helons, Haplons und Y-Teilchen wurden alle vorgeschlagen. Ich selbst mag die Namen Quinks oder Tweedles.
Was wird die nächste große Entdeckung sein? Ich habe keine Ahnung. Es könnte eines der hier erwähnten Themen sein. Oder, was noch spannender ist, es könnte etwas völlig Unerwartetes sein, etwas, das uns einfach aus heiterem Himmel trifft. Wie man sagt, die Zeit wird es zeigen.