Mit den Stationen:


 
 
 
Viele Materialien in unserer Umgebung erscheinen uns sehr massiv zu sein. Wir könnten uns also vorstellen, dass z.B. ein Stück Eisen aus massiven elementaren Bausteinen aufgebaut ist, den Atomen, die so dicht gepackt sind, dass es nahezu unmöglich ist, das Material weiter zu komprimieren. Dieses Bild ist einfach, aber leider auch falsch: In einem Metall oder auch einem anderen Festkörper sind zwar die Atome dicht gepackt (siehe die Abbildung), aber die Atome selbst sind alles andere als massiv. Sie bestehen aus einem Atomkern, der nahezu die gesamte Masse des Atoms enthält und einigen Elektronen, die den Kern in bestimmten Abständen "umkreisen". Die Elektronen sind negativ geladen und werden durch die elektro-magnetischen Kräfte vom positiv geladenen Atomkern so stark angebunden, dass sie nicht wegfliegen. Die Zwischenräume aber sind leer.

 
 
 
 
 
 
 
 
Wie groß sind die Atome, die Atomkerne und der Raum dazwischen?
 

Zunächst dazu einige Zahlen: Ein typischer Radius für die Kreisbahn eines Elektrons ist etwa 0.00000001 cm (man schreibt diese Zahl auch in der Form 1. 10-8 cm) und das ist auch ein typischer Wert für die Größe des Atoms. Der Atomkern ist sehr viel kleiner. Atomkerne haben Radien von der Größenordnung 5 Femtometer, das sind 5. 10-13 cm.

Um eine Vorstellung über die relativen Größenverhältnisse zu bekommen, stellen wir uns die atomistische Welt so vergrößert vor, dass der Radius des Atomkerns 5 cm misst. In dieser Welt hätte das Atom einen Radius von 1 km. Der nächste Atomkern wäre also auch bei dichtester Packung der Atome 2 km entfernt.

Die Atomkerne enthalten praktisch die gesamte Masse. Zwischen den Atomkernen gibt es ein Vakuum, in dem einzelne Elektronen herumfliegen. Die Masse der Elektronen ist sehr viel kleiner (um einen Faktor 2000, verglichen mit dem leichtesten Atomkern). Die Elektronen sind winzig, auch nach der beschriebenen Vergrößerung sind die Elektronen immer noch mikroskopisch klein.

Wenn also die Masse der Materie, so wie wir sie kennen, aus kleinen Atomkernen besteht mit großen leeren Zwischenräumen, so könnte man sich vorstellen, dass eine gewaltige Presse die Zwischenräume herauspresst und einen Block reiner Kernmaterie erzeugt. Ein Kubikzentimeter dieser Kernmaterie hätte ein Gewicht von 500 Millionen Tonnen. Das ist das Gewicht von 250 Millionen PKW (Mercedes, S-Klasse). Würde man diese Autos in eine Reihe stellen, so würde diese Autoschlange noch etwa 30 mal die gesamte Erde umrunden. Unsere Schrottpresse würde also diese Autoschlange aus normalem Material auf 1 Kubikzentimeter Kernmaterie komprimieren.

Eine solch kompakte Kernmaterie findet man in den sogenannten Neutronensternen. Das sind die Leichen von großen Sternen, die all ihren Brennstoff aufgebraucht haben und dann unter dem Druck der Gravitationskraft zu einem solch massiven Objekt mit einem Radius von etwa 10 km kollabiert sind. Die Eigenschaften solcher Neutronensterne und die Frage wann ausgebrannte Sterne zu einem Schwarzen Loch kollabieren werden auch in Tübingen untersucht. Aber das steht auf einem anderen Blatt (siehe z.B. eurograd.physik.uni-tuebingen.de).


 
 
Der Atomkern und seine Bestandteile
 
 

Auf der Erde finden wir die Kernmaterie aber nur in Form von kleinen Tropfen, eben den Atomkernen. Diese Atomkerne sind aus jeweils einer bestimmten Anzahl Z von Protonen und N Neutronen aufgebaut. Jedes Proton trägt eine positive Elementarladung, während das Neutron elektrisch neutral ist. Insgesamt trägt ein Atomkern also die elektrische Ladung Z. Diese positive Ladung wird kompensiert, durch die gleiche Anzahl von Elektronen, die ja wie wir bereits gesehen haben um den Kern herumfliegen. Diese Kernladungszahl Z bestimmt die chemischen Eigenschaften des jeweiligen Elementes. Es gibt stabile Elemente mit Kernladungszahlen zwischen Z=1, dem Wasserstoff, und Z=92, dem Uran. Darüber hinaus gibt es aber auch noch Transurane wie z.B. Plutonium (Z=94) und so weiter. Es ist inzwischen gelungen Elemente bis Z=116 (am 21.5.2001 in Dubna, Russland) zu erzeugen. Diese leben allerdings nur sehr kurze Zeit und zerfallen dann wieder in leichtere Elemente.

Die Neutronen in einem Atomkern sind elektrisch neutral und spielen deshalb für die chemischen Eigenschaften des Atoms keine Rolle. Sie vergrößern aber die Masse der Atome, man unterscheidet deshalb zwischen den verschiedenen Isotopen: So kommt z.B. der Kohlenstoff (Z=6 Protonen) in der Natur mit N=6, 7 und 8 Neutronen vor. Man unterscheidet deshalb je nach der Gesamtzahl der Nukleonen A, also die Summe aus Z und N die Isotope C12, C13 und C14. Aus dem Anteil der C14 Isotope an der Gesamtzahl der Kohlenstoff Atome, kann man das Alter von organischen Substanzen rekonstruieren.

Ein Neutron ist etwas schwerer als ein Proton, besitzt also wegen der Beziehung

E = m c2

eine etwas größere Energie (E bezeichnet die Energie, m die Masse des Teilchens und c ist die Lichgeschwindigkeit). Ein einzelnes Neutron lebt im Mittel nur etwa 15 Minuten und zerfällt dann in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino. Die bei diesem Zerfall freiwerdende Energie wird von den Zerfallsprodukten als Bewegungs- Energie abgeführt. Diese Reaktion bezeichnet man auch als Beta-Zerfall des freien Neutrons. Verantwortlich dafür ist die sogenannte Schwache Wechselwirkung. Das Antineutrino ist das Antiteilchen des Neutrinos, sozusagen das Neutrino der Antimaterie. Mehr zu den sehr spektakulären Eigenschaften dieser Elementarteilchen an anderer Stelle.
 
 

Die Kernenergie

Ein einzelnes Neutron zerfällt, packt aber man ein Proton und ein Neutron zu einem Atomkern zusammen, so ist die Masse beziehungsweise die Energie dieses Deuterons (das ist der Name für das schwere Isotop des Wasserstoffs 2H) niedriger als die Masse beziehungsweise Energie von zwei einzelnen Nukleonen. Deshalb ist das Neutron in diesem oder auch in anderen schwereren Atomkernen stabil und zerfällt nicht.

Verantwortlich für diesen Energiegewinn ist die sogenannte Starke Wechselwirkung zwischen den Nukleonen, also den Protonen und Neutronen. Besonders fest gebunden ist z.B. der Atomkern des He4, der aus 2 Protonen und 2 Neutronen besteht und auch Alpha Teilchen genannt wird. Fügt man also zwei Deuteronen zu einem Alpha Teilchen zusammen so wird Energie frei. Allerdings ist es nicht so einfach 2 Deuteronen zusammenzubringen. Bei mittleren Abständen spüren sie zunächst einmal, dass sie beide positiv geladen sind und stossen sich deshalb ab. Erst wenn sie mit genügendem Schwung über diesen Berg der Coulombabstoßung hinweg sind, merken sie, dass sie zusammen Energie gewinnen.

Diese Kernfusion ist die Energiequelle der Sonne. Dort ist es so heiss, dass die Deuteronen leicht über den Coulombberg hinwegkommen. Um die Fusionsenergie auf der Erde zu nutzen, muss man die Atomkerne des Deuterons zusammenpressen und aufheizen. Dies geschieht in experimentellen Einrichtungen zur Entwicklung von Fusionsreakoren aber auch in der Wasserstoffbombe.
 
 

Der Atomkern mit der größten Bindungsenergie pro Nukleon ist Fe58, das Isotop des Eisens mit 26 Protonen und 32 Neutronen. Bei sehr schweren Kernen kann man deshalb Energie gewinnen, wenn sich ein schwerer Atomkern, wie z.B. Uran (U235) in zwei leichtere Atomkerne spaltet. Diese Spaltung kann durch ein herumfliegendes Neutron in Gang gesetzt werden. Bei der Spaltung werden neben den beiden Restkernen auch zwei oder drei weitere Neutronen freigesetzt, die jeweils wieder einen weiteren Urankern zur Spaltung bringen können. So entsteht eine Kettenreaktion, die in einer Atombombe gewaltige Energien freisetzt. In einem Kernreaktor kontrolliert man die Kettenreaktion z.B. dadurch, dass man die Neutronen zum Teil in anderen Materialien absorbiert.


 
 
Materie und Antimaterie
 

Bisher sind uns auf unserer Reise die folgenden elementaren Bausteine der Materie begegnet: die Elektronen, die Protonen und Neutronen so wie die Neutrinos. Zu jedem dieser Teilchen gibt es das jeweilige Antiteilchen. Die Existenz dieser Antimaterie wurde 1928 von Paul Dirac postuliert. Bei dem Versuch die Beschreibung der Bewegung von Teilchen in der Quantenmechanik konsistent mit den Gesetzen der Speziellen Relativitätstheorie zu behandeln fand Dirac neben den Lösungen für die Teilchen unserer Materie auch entsprechende Lösungen für die Antiteilchen.

In unserer Welt findet man solche Antiteilchen nur mit einem gewissen Aufwand. Wenn man aber genügend Energie zur Verfügung stellt, kann man praktisch aus dem Nichts ein Paar aus einem Teilchen und dem entsprechenden Antiteilchen erzeugen. Dabei benötigt man aber für ein Teilchen der Masse m mindestens die Energie E=2mc2 um sowohl die Energie für das Teilchens als auch das Antiteilchen zur Verfügung zu haben. Bestrahlt man also z.B. Atomkerne mit hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung, bei der die Energiepakete, die Photonen, eine Energie von wenigstens 2 mal 511 Kiloelektronenvolt (keV) haben, so werden Paare aus Elektronen und Positronen, die Antiteilchen des Elektrons erzeugt. Das Positron hat die gleichen Eigenschaften wie das Elektron (z.B. gleiche Masse, gleicher Spin), nur die elektrische Ladung hat das entgegengesetzte Vorzeichen.

Hat man einmal ein Positron erzeugt, so muss man aufpassen, dass man es nicht sofort wieder verliert. Kommt es nämlich mit einem Elektron zusammen, so wird es sich mit großer Wahrscheinlichkeit mit diesem wieder vernichten. Die Energie bei dieser Paarvernichtung wird dann wieder in Form von charakteristischen Photonen freigesetzt (ein Effekt der z.B. in der medizinischen Diagnostik eingesetzt wird, PET).

Mit höherem Energieaufwand kann man auch Antiprotonen und Antineutronen erzeugen. Vor kurzem gelang es Wissenschaftlern am Europäischen Forschungszentrum CERN in Genf Antiprotonen und Antielektronen zu einem Antiatom, dem Antiwasserstoff zusammenzufügen. Im Prinzip ist ein Welt aus Antimaterie möglich, die sich eigentlich nicht von der Welt der Materie unterschieden lässt. Wenn aber Materie und Materie zusammenkommen, so vernichten sie sich gegenseitig und setzen die Energie der Ruhemassen frei.


 
 
Weitere "Elementarteilchen"
 

Gibt es aber neben Elektronen, Protonen, Neutronen, Neutrinos noch weitere elementare Bausteine? Wir haben bereits besprochen, dass man Antiteilchen dadurch erzeugen kann, dass man Nukleonen oder Atomkerne mit Photonen, den Energiepaketen elektromagnetischer Strahlung, oder anderen Elementarteilchen hoher Energie beschiesst. Bei diesen Stössen wird Energie in die Masse der neuen Teilchen umgesetzt.

Solche Prozesse findet man in der sogenannten Höhenstrahlung: Teilchen wurden irgendwo im Kosmos auf hohe Energie beschleunigt und stossen dann mit Atomkernen unserer Atmosphäre zusammen. Die Produkte dieser hochenergetischen Stöße treffen dann teilweise als Höhenstrahlung auf die Erdoberfläche. Eine künstliche Quelle neuer Teilchen sind die Beschleuniger der Hochenergiephysik, wie z.B. die Beschleuniger am CERN in Genf, DESY in Hamburg und entsprechende Anlagen in USA und Russland.

Luftaufnahme des DESY-Areals. Die Gebäude von DESY und den Elektronbeschleunigerring PETRA sieht  man im Vordergrund. Im HERA-Ring (Hadron-Elektron- Ringanlage) mit einem Umfang von 6,3 km beschleunigt  man Protonen auf eine Energie von 820 Milliarden Elektronenvolt.

Sehr häufig werden bei diesen Kernreaktionen Pionen erzeugt. Das ist ein Typ von Teilchen, der mit positiver und negativer Ladung (pi+, pi-) aber auch ungeladen (pi0) auftritt. Die Masse der Pionen ist etwa 270 mal größer als die Masse des Elektrons aber um einen Faktor von etwa 6.7 kleiner als die des Protons. Ein isoliertes Pion existiert typischerweise nur für den Bruchteil einer Sekunde (im Mittel etwa 2 mal 10-8 Sekunden im Fall der geladenen Pionen, das pi0 lebt noch kürzer). Diese Lebensdauern sind winzig nach unseren Maßstäben, aber ein Pion, das sich häufig mit Geschwindigkeiten von der Größenordnung der Lichtgeschwindigkeit bewegt, kann in dieser Zeit Wegstrecken zurücklegen, die riesig sind im Vergleich zu den Ausmaßen der atomaren Systeme. (Dabei hilft auch noch der relativistische Effekt der Zeitdilatation, nach dem ja die Uhr die die Lebensdauer misst für bewegte Teilchen langsamer läuft als für den ruhenden Beobachter, der den zurückgelegten Weg misst).

Die meisten pi- zerfallen am Ende ihres kurzen Lebens in ein Myon, das ist ein schwerer Verwandter des Elektrons und ein Antineutrino. Auch das Myon zerfällt nach kurzer Zeit (mittlere Lebensdauer 2 mal 10-6 Sekunden) in ein Elektron und ein Paar aus Neutrino und Antineutrino.

Die Pionen sind die leichtesten und langlebigsten Vertreter einer ganzen Großfamilie von Teilchen, den sogenannten Mesonen. Neben Ladung und Masse besitzen die Elementarteilchen noch weitere charakteristische Eigenschaften die man durch Zahlen, man spricht von Quantenzahlen, charakterisiert. Dazu gehört der Spin. Im Fall der Mesonen kann diese Spinquantenzahl ganzzahlige Werte annehmen, also 0 (im Fall der Pionen), 1 (wie z.B. für w (omega) und r (rho) Mesonen), 2 ...

Neben der Familie der Mesonen gibt es auch die Familie der Baryonen. Zu den Baryonen gehören z.B. die Nukleonen (also Protonen und Neutronen) aber auch eine Vielzahl von sehr kurzlebigen Teilchen, die in komplizierten Folgen von Zerfallsprozessen letztlich als Proton (auch das einzelne Neutron zerfällt ja schliesslich in ein Proton) plus eine Anzahl von Mesonen enden. Die Zahl der Baryonen bleibt bei diesen Zerfallsketten erhalten. Im Unterschied zu den Mesonen haben die Baryonen einen halbzahligen Spin also ½, 3/2 ... Die Baryonen und die Mesonen fasst man zusammen zu der Spezies der Hadronen.
 


 
Quarks bringen Ordnung in den Teilchenzoo
 
 

Mit den verbesserten Beschleunigern wurden immer mehr Elementarteilchen gefunden. Von der Particle Data Group wird in regelmässigen Abständen ein kleines Buch herausgebracht, in dem diese Elementarteilchen ihre Quantenzahlen und Zerfallsmoden aufgelistet sind (siehe auch http://pdg.lib.gov/). In diesem Buch sind mehrere hundert Hadronen aufgelistet. Es ist schwer zu glauben, dass es so viele elementare Bausteine geben soll. Um ein wenig Ordnung in diesen Zoo der Elementarteilchen zu bringen wurden bereits 1964 von Ne´emann, Gell-Mann und Zweig das sogenannte Quarkmodell eingeführt, mit dem man erklären wollte, welche Hadronen möglich sind, wie sie in den nuklearen Prozessen entstehen und wieder zerfallen.

Nach diesem Quarkmodell ist jedes Baryon aus 3 Quarks aufgebaut und jedes Meson aus einem Quark und einem Antiquark. Insgesamt gibt es sechs verschiedene Typen von Quarks mit folgenden Ladungen und Massen:
 

Flavor Abkürz. Masse c2 Ladung
Down

Up

D

U

7 MeV

3 MeV

-1/3

2/3

Strange

Charm

S

C

120 MeV

1200 MeV

-1/3

2/3

Bottom

Top

B

T

4200 MeV

175000 MeV

-1/3

2/3

 
Das Proton wird aufgebaut aus 2 Up quarks und einem Down Quark (UUD) und hat so die Ladung 2*2/3-1/3 = 1. Das Neutron (UDD) ist elektrisch neutral und hat die Ladung 2/3 - 2*1/3=0. Man kann aber auch ein Baryon aus 3 Up Quarks bauen, das hätte dann die Ladung 2. Dies entspricht dem D++ Baryon.
 
 

Dieses Baukastenprinzip hat sich hervorragend bewährt: Alle experimentell gefundenen Hadronen konnten damit aufgebaut werden, ja das Modell sagte sogar weitere Hadronen voraus, die dann auch gefunden wurden. So waren sich die Theoretiker auch einig, dass es aus Symmetriegründen Quarks mit sechs verschiedenen "Flavors" geben sollte, und in der Tat wurden schliesslich 1999 die ersten Hadronen mit einem Top Quark gefunden.
 
 

Quarks im Gefängnis
 
 

Aber die Quarks sind mehr als nur ein theoretisches Konzept, um eben Ordnung in den Teilchenzoo der Baryonen und Mesonen zu bringen. Untersucht man die Struktur der Nukleonen mit Hilfe von hochenergetischen Elektronen, Myonen oder auch Photonen, so findet man, dass diese Nukleonen wiederum eine Substruktur besitzen. Genau so, wie der Atomkern aus Protonen und Neutronen aufgebaut ist, so enthalten auch die Nukleonen wieder kleinere Teilchen, an denen die Elektronen, Myonen und Photonen gestreut werden: eben jeweils drei Quarks in einer Suppe aus Quark-Antiquark Paaren und den Gluonen. Damit wurde also das theoretische Konzept des Quarkmodells experimentell bestätigt.
 

Man hat allerdings nie einzelne Quarks beobachten können. Jeweils drei Quarks sind eingesperrt in einem Gefängnis. Man spricht vom Confinement der Quarks.
Wie kann man dieses Verhalten erklären? Machen wir dazu einen Vergleich mit den elektrischen Kräften und betrachten eine positive Ladung (z.B. eines Protons) und eine negative Ladung (eines Elektrons). Sind diese beiden Ladungen eng beisammen, so ist das gesamte System (im Beispiel das Atom des Wasserstoffs) elektrisch neutral und man müsste Energie aufbringen, um die Ladungen voneinander zu trennen. Im Fall der Quarks braucht man drei Teilchen um ein "neutrales" Objekt zu bilden. Man definiert also in Analogie zu den positiven und negativen Ladungen der Elektrodynamik drei Ladungen, man spricht von Farben, z.B. rot, gelb und blau. In einem Baryon sitzen jeweils ein rotes, ein gelbes und ein blaues Quark zusammen und bilden insgesamt ein "neutrales" man sagt auch farbloses oder weisses System. Neben den Baryonen gibt es auch noch die Mesonen aus einem Quark und einem Antiquark, z.B. mit den Farben rot für das Quark und Antirot für das Antiquark. Insgesamt ist also auch ein solches Meson farblos und besitzt deshalb eine relativ niedrige Energie.

Bei den elektrischen Ladungen müssen wir aber nur eine relativ niedrige Energie aufbringen, um sie ein kleines Stückchen voneinander zu entfernen. Sind sie erst einmal ein wenig auseinander, so wird die elektrische Anziehung zwischen den Ladungen immer schwächer und es ist leicht möglich die beiden Ladungen beliebig weit voneinander zu trennen. Bei den Farbladungen der Quarks ist das offensichtlich anders. In diesem Fall nimmt die anziehende Kraft zwischen den Farbladungen nicht mit dem Abstand ab und deshalb ist es unmöglich einzelne Farbladungen beliebig weit von den Partnern zu trennen. So weit das theoretische Modell. Die Frage, ob die Quantenchromodynamik wirklich das Confinement der Quarks erklärt ist noch offen. Man versucht eine Antwort dadurch zu finden, dass man die Eigenschaften der Quantenchromodynamik in sehr umfangreichen Simulationen auf dem Computer (auch hier bei uns in Tübingen) untersucht.

Man kann sich nun vorstellen, dass die eng zusammengepresste Nukleonen sich zu einem großen Gefängnis für viele Quarks und Gluonen vereinen. Wenn also in einem Zusammenstoss von zwei schweren Atomkernen sehr hohe Dichten erzeugt werden, so könnten sich die einzelne Nukleonen zu einem großen Bereich eines Quark-Gluon Plasmas verbinden, so wie das in der Abbildung (farbige Quarks im Kollisionsbereich, aussen weisse Nukleonen) dargestellt ist. Wie macht sich dieser Übergang zu einem Quark-Gluon Plasma im Experiment bemerkbar. Simulationen solcher Reaktionen werden an der Fakultät in Tübingen entwickelt und durchgeführt. Ähnliches könnte auch im Zentrum von Neutronensternen passieren. Wir sehen auch wieder wie die Physik erlaubt, die Eigenschaften von grossen Objekten der Astronomie zu verknüpfen mit  Experimenten an den sehr kleinen Elementarbausteinen, die wir an Beschleunigern auf der Erde durchführen können.

Wie verhalten sich die Nukleonen, wenn sie von anderen umgeben sind? Weichen die Quark-Gefängnisse der einzelnen Nukleonen im Vakuum im Medium des Atomkerns ein wenig auf? Ändern sich also die Nukleonen im Medium? Dies sind Fragen der  modernen Kern- und Teilchenphysik, die auch in Tübingen erforscht und untersucht werden.
 

Das Standard -Modell

Bisher wurden überwiegend die Eigenschaften des Atomkerns und damit der Hadronen (Baryonen und Mesonen) diskutiert. Wir haben gesehen, dass sich die bekannten Hadronen aus den elementaren Bausteinen, den Quarks, aufgebaut werden können, die in der obigen Tabelle aufgelistet sind. Daneben haben wir auch bereits Elektronen, Myonen und Neutrinos kennen gelernt. Diese Teilchen sind nicht aus Quarks aufgebaut, sie haben keine Farbladungen und spüren deshalb die starke Wechselwirkung der Quantenchromodynamik nicht. Was gibt es sonst noch an nicht-hadronischen Elementarteilchen?

Man bezeichnet diese nicht-hadronischen Elementarteilchen als Leptonen. Die Leptonen werden wie die Quarks als Elementarteilchen angesehen. Eigenschaften der bekannten Leptonen sind in der folgenden Tabelle aufgelistet
 

Masse c2 Ladung
Elektron
Elektr. Neutrino
0.511 MeV
?
-1
0
Myon
Myon Neutrino
105.6 MeV
?
-1
0
Tau
Tau Neutrino
1770.0 MeV
?
-1
0

Wie bei den Quarks haben wir es auch hier mit drei Familien zu tun. In jeder Familie gibt es ein geladenes Lepton (Elektron, Myon und Tau Lepton) und jeweils dazu gehörig ein Neutrino. Die Leptonen sind genau so wie die Quarks Teilchen mit einer Spin-Quantenzahl von 1/2, sind also auch Fermionen. Man unterscheidet deshalb auch zwischen rechtshändigen Leptonen, das sind solche bei den Spin parallel zur Flugrichtung des Teilchens steht, und linkshändigen (Spin und Flugrichtung sind antiparallel).

Die geladenen Leptonen spüren die elektro-magnetische Wechselwirkung (eben wegen ihrer Ladung). Ausserdem spüren die Leptonen auch noch die schwache Wechselwirkung. Die linkshändigen Neutrinos sind elektrisch neutral und reagieren nur über die schwache Wechselwirkung mit ihrer Umgebung. Die schwache Wechselwirkung ist, wie der Name schon sagt, schwach beziehungsweise von sehr kurzer Reichweite. Deshalb sausen die Neutrinos auch meistens völlig unbeeindruckt selbst durch die dicksten Wände. Fast all Neutrinos, die z.B. durch die Kernreaktionen in der Sonne erzeugt sind und auf die Erde treffen fliegen durch diese hindurch, ohne dass sie etwas davon merken. Auch wir merken natürlich nichts von diesen hindurchfliegenden Neutrinos und deshalb benötigt man auch riesige Detektoren, damit wenigstens hin und wieder mal ein Neutrino mit einem der Teilchen diese Detektors wechselwirkt und sich so bemerkbar macht. Deshalb wissen wir so wenig von diesen Neutrinos und selbst die Massen sind unbekannt, man weiss lediglich, dass die Massen wohl klein sein müssen.

Die rechtshändigen Neutrinos machen sich nicht einmal durch die schwache Wechselwirkung bemerkbar. Wir wissen also gar nicht ob es diese rechtshändigen Neutrinos überhaupt gibt.

Wir haben also jetzt als Elementarteilchen 6 verschiedene Quarks und 6 verschiedene Leptonen, so wie die dazugehörigen Antiteilchen. Sind dies wirklich die Grundbausteine des Universums oder sind auch diese Bausteine selbst wieder zusammengesetzt aus noch elementareren Bausteinen? Warum sind eigentlich all diese Bausteine Fermionen. Man kann sich vorstellen, und es gibt auch gute Argumente dafür, dass jedes dieser Fermionen einen bosonischen Partner besitzt, man spricht von supersymmetrischen Theorien, in denen solche Partner aus Konsistenzgründen gefordert werden. Sind diese supersymmetrischen Theorien nur das Hirngespinst einiger Theoretiker, oder können wir solche Teilchen bei höheren Energien erwarten? Vielleicht ist aber auch die Wechselwirkung dieser Partner in der supersymmetrischen Theorie so schwach, dass wir diese bisher einfach noch nicht gesehen haben.

Aus Messungen der Astrophysik vermutet man, dass ein Großteil der Materie, die für den Zusammenhalt der Galaxien über die Gravitationsanziehung sorgt von einem anderen Typ sein muss, als die Materie die in den Sternen, den Planeten und dem interstellaren Staub steckt. Man spricht hier von dunkler Materie.  Vielleicht wissen wir noch gar nichts über den Großteil der Materie, die unseren Kosmos ausmacht.
 

Eine Theorie für alle Kräfte

Nachdem wir nun die uns bekanntaren elementaren Teilchen klassifiziert haben bleibt die Frage nach den Kräften, den Wechselwirkungen zwischen diesen Teilchen. Wir haben bereits kennengelernt:

Sind all diese Kräfte von unterschiedlicher Natur oder gibt es vielleicht nur ein Kraft mit verschiedenen Erscheinungsformen?

Betrachten wir zum Beispiel die elektrischen Kräfte, mit denen sich elektrische Ladungen anziehen oder abstossen und magnetische Kräfte, z.B. in einem Permanentmagneten (Hufeisenmagnet) oder auch Elektromagneten. Auf dem ersten Blick scheinen diese Kräfte sehr unterschiedlicher Natur zu sein. Die elektrischen Kräfte werden durch Ladungen erzeugt, für die magnetischen Kräfte sind Ströme verantwortlich. (Auch der Hufeisenmagnet basiert letztlich auf Ströme auf der atomaren Ebene). Nehmen wir an, dass ein Physiker ein Experiment aufgebaut hat, in dem eine ruhende Ladung plaziert wird. Er wird nun davon ausgehen, dass Probeladungen eine elektrische Kraft verspüren aber keine magnetischen Kräfte. Ein zweiter Physiker, der mit seinem Beobachtungssystem nur mal so an diesem Experiment vorbei saust, sieht eine bewegt Ladung also einen Strom und berechnet auch eine magnetische Wechselwirkung. Elektrische und magnetische Felder und Kräfte sind also nur verschiedene Erscheinungsformen einer gemeinsamen Kraft.

Demnächst meh zu diesem Thema.