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WELTJAHR DER PHYSIK: QUARKS

Der Blick in das Innere von Atomkernen erfordert den Bau gigantischer Maschinen, so genannter Teilchenbeschleuniger, dazu eine unvorstellbar große Menge an Energie und eine gewisse „Luminosität“. Darunter versteht man die Zahl der Teilchenkollisionen, die pro Sekunde in einem Beschleuniger stattfinden können.

Am 17. April 1987 wurde die für eine Kollision aus Protonen und Antiprotonen benötigte Luminosität im damals stärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, im „Tevatron“ in Chicago erreicht. Die Steuerung der fast mit Lichtgeschwindigkeit durch ein evakuiertes Stahlrohr rasenden Protonen und Antiprotonen erfordert eine große Präzision hunderter von Messinstrumenten, Ablenkmagneten, Fokussiermagneten und Hochfrequenzbeschleunigern. Die Bedienungsmannschaften starrten auf die Messinstrumente, als die Antiprotonen aus dem Speicherring in das Tevatron geschossen wurden. Gleich darauf brach lauter Jubel aus, als die Teilchen in der erwarteten Zahl zu kollidieren begannen. Die Physiker hatten Neuland betreten.

Unter einem Messgerät versteht man in der Regel ein Voltmeter, ein Fieberthermometer oder etwas Ähnliches. Der Proton-Antiproton-Kollisionsdetektor im Fermilab ist ein „Messgerät“ von über 4500 Tonnen, dessen Einzelteile trotz der Größe präzise wie eine Atomuhr arbeiten. Etwa achtzigtausend elektronische Datenkanäle werden von mehreren Hochleistungscomputern überwacht. Im Kollisionszentrum des Detektors, an dessen Entwicklung 300 Physiker und Techniker acht Jahre lang gear-beitet hatten, tritt Energie in unvorstellbarer Dichte auf. Bei den beschriebenen Kol-lisionen zerreißt es die Teilchen, und Dutzende neue Partikel entstehen bei einer Energie von 2000 Milliarden Elektronenvolt. Das ganze passiert in einem „Raum“, der 1000 Milliarden Mal in den Kern eines Wasserstoffatoms passte.

Was 1987 noch als technische Revolution galt, ist heute in der Hochenergiephysik Standard: Die Erreichung hoher Energiedichten um die physikalischen Zustände wenige Sekundenbruchteile nach dem Urknall zu simulieren. So wissen wir heute, dass es am Beginn des Universums nur zwei Teilchenfamilien gab: Leptonen – das sind leichte Teilchen, wie etwa Elektronen - und Quarks. Quarks sind eine Gruppe von sechs schweren Teilchen, die man heute als die Grundbestandteile der Materie ansieht. Die Vorstellung, dass Protonen und Neutronen aus fundamentalen Partikeln bestehen, wurde 1963 unabhängig voneinander von den amerikanischen Physikern Murray Gell-Mann und George Zweig entwickelt. Die „Aces“ von Zweig wurden vergessen, die „Quarks“ von Gell Mann setzten sich durch. Der Begriff stammt aus einem Roman des irischen Schriftstellers James Joyce.

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© 2005 Rudolf Öller, Bregenz