Die Teile des »Unteilbaren«

Luftaufnahme des Ringbeschleunigers im Fermilab. Der vordere Ring hat einen Umfang von 6,3 km.

Die Frage nach dem, was die Welt im Innersten zusammenhält und was es denn ist, was da zusammengehalten wird: Diese Frage wurde zu verschiedenen Zeiten verschieden beantwortet. Als das elementare Teilchen schlechthin galt lange Zeit das Atom, das dem griechischen Wortsinne nach »Unteilbare«. Aber es ist eben doch teilbar, es besteht aus kleineren Bausteinen:

»Wenn Sie sich ein normales Atom anschauen, nehmen wir mal den Wasserstoff als das einfachste aller Atome, dann ist das ein Planetensystem im kleinen. Es besteht aus einem Proton und einem Elektron, das in einem stark vereinfachten Bild um dieses Proton herumkreist.« erläutert Professor Karlheinz Meier, Hochenergiephysiker an der Universität Heidelberg.

Aber auch das Proton besteht aus noch grundlegenderen Bausteinen, und auch die wiederum erwiesen sich als nicht elementar. So hatten zu Beginn der 1960er Jahre die Physiker einen ganzen Zoo von rund 300 Elementarteilchen gefunden. Es war ein Geniestreich des amerikanischen Physikers Murray Gell-Mann, als er aufgrund theoretischer Überlegungen drei ganz neuartige Elementarteilchen einführte. Sie sollten buchstäblich punktförmig sein, sie sollten sehr merkwürdige Eigenschaften haben, aber aus ihnen ließen sich durch geschickte Kombination die bekannten Teilchen zusammensetzen. Er nannte sie Quarks, nach einer Passage über sehr merkwürdige Wesen in dem Buch »Finnegans Wake« von James Joyce.

Professor Meier: »Wir haben die Vorstellung, dass das Proton aus drei Quarks zusammengesetzt ist. Unsere Welt, die uns umgibt, können wir beschreiben mit einem Lepton, nämlich dem Elektron, und zwei Sorten von Quarks, nämlich den u- und den d-Quarks. Und das reicht, um alles um uns herum zu beschreiben.« Nein, es reicht nicht ganz. Es gibt nämlich eine Anzahl von ziemlich exotischen Effekten, die zeigen, so Meier, »dass die Natur mit dieser sehr einfachen Zusammensetzung nicht zufrieden war, sondern uns noch eine Reihe weiterer Leptonen und Quarks anbietet. Es gibt noch zwei weitere Leptonen, die elektrische Ladung tragen, dann gibt es noch sogenannte Neutrinos, und darüber hinaus gibt es noch eine ganze Reihe von weiteren Quarks. Und bis zur Entdeckung des Top-Quarks waren fünf von diesen Quarks bekannt.«

Aber die Physiker wussten, da musste es noch ein sechstes Quark geben, das sie Top-Quark nannten. Der Name tut nichts zur Sache, man könnte es auch Rot-Quark oder Blau-Quark nennen, aber der Nachweis von diesem speziellen Teilchen war der Prüfstein für die gesamte Theorie, die von den Physikern das »Standardmodell« genannt wird. Seit Ende der 1970er Jahre wurde intensiv nach diesem Quark gefahndet. Es gibt nur eine Handvoll von Forschungszentren, die in dieser Weltliga mitspielen: das Fermilab in Chicago, das Zentrum im kalifornischen Stanford, das europäische Kernforschungszentrum CERN in Genf und das DESY in Hamburg. An jeder dieser Anlagen arbeiten hunderte oder gar tausende von Physikern, und, so Professor Meier, »das Resultat aller dieser verzweifelten Experimente war: Das Top-Quark, das konnte man nicht finden, das war nicht da.«

Damit zeigten diese Experimente eines: Das Top-Quark musste eine extrem hohe Masse haben. Aber je schwerer ein Elementarteilchen ist, umso schwieriger ist es auch zu erzeugen. Die dafür nötigen Beschleuniger kosten hunderte Millionen Euro, haben Abmessungen von mehreren Kilometern und den Energieverbrauch einer mittleren Stadt.

1994 gab es schließlich erste Anzeichen, dass es das Top-Quark tatsächlich gibt. In der Nacht vom 2. auf den 3. März 1995 fanden am Forschungszentrum Fermilab in Chicago die entscheidenden Messung statt: Stolz konnten die Physiker bekannt geben, »dass sie dieses Top-Quark gefunden haben, und zwar bei einem Massenwert, der nun wirklich abenteuerlich hoch liegt. Ein Top-Quark ist 175-mal so schwer wie der Kern eines Wasserstoffatoms, nämlich die Protonenmasse. Und das macht dieses Top-Quark natürlich zu einem ganz besonderen Teilchen. Es hat ansonsten eigentlich kaum spezielle Eigenschaften. Nur: Es ist ganz furchtbar schwer. Es ist das bei weitem schwerste Elementarteilchen, das wir kennen.«

Sind damit alle Fragen der Elementarteilchenphysik beantwortet? Beileibe nicht! Mit dem Nachweis des Top-Quarks ist zwar klar, dass das Standardmodell die Wirklichkeit richtig beschreibt. Aber es gibt keine Erklärungen: Warum gibt es gerade sechs Quarks? Warum ist das Top-Quark so extrem schwer? Und warum gerade 175-mal so schwer wie ein Proton?

Professor Meier: »Es gibt auch erste Ansätze, die sagen, vielleicht können wir doch auch die relativen Massen der Elementarteilchen verstehen, Supersymmetrie ist so ein Stichwort, auf das man hofft, und das wird die Physik der nächsten, was soll ich sagen, der nächsten zwei Jahrzehnte sein.«