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8 subatomare Partikel, die Sie kennen sollten

Eine Tafel am CERN, bedeckt mit Gleichungen der theoretischen Physik von Alberto Ramos, einem Stipendiaten für theoretische Physik am CERN, und dem Physiker Antonio Gonzalez-Arroyo von der Universidad Autonoma de Madrid, fotografiert am 19. April 2016. Bildnachweis: Dean Mouhtaropoulos/Getty Bilder

Bosonen, Leptonen, Hadronen, Gluonen – es scheint, als gäbe es einen wahren Zoo subatomarer Teilchen, und es kann Ihnen verziehen werden, dass Sie Ihre Quarks und Ihre Squarks gelegentlich verwechseln (ja, Squarks sind eine tatsächliche Sache oder zumindest eine tatsächlich mögliche Sache) . Die folgende Liste ist kein vollständiger Katalog dessen, was es da draußen gibt; es ist vielmehr eine Art Starter-Kit, eine Kombination aus den wichtigeren – und bizarreren – Teilchen, aus denen unser Universum besteht. Die Liste ist grob geordnet, von Teilchen, die Sie im Physikunterricht an der High School kennengelernt haben, bis hin zu exotischeren Einheiten, die vorerst in den Augen theoretischer Physiker kaum mehr als Funkeln sind.

1. ELEKTRON: GEBER VON CHEMIE UND STROM

Während Protonen und Neutronen (und ihre konstituierenden Quarks) Atomen ihr Gewicht verleihen, ist es ihre Umgebung aus viel leichteren Elektronen, die bestimmt, wie Atome zusammenkommen, um Moleküle zu bilden – mit einem Wort, es sind Elektronen, die uns die Chemie geben. (Stellen Sie sich ein Wassermolekül als zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom vor, die eine gemeinsame Sorgerechtsvereinbarung für ihre 10 Elektronenkinder ausgearbeitet haben.) Das Erlernen der Manipulation von Elektronen war einer der größten wissenschaftlichen Triumphe in der Geschichte. Im späten 19. Jahrhundert lernten wir, den Elektronenfluss in Drähten zu kontrollieren – Elektrizität! (Während sich Elektrizität mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, bewegen sich die Elektronen selbst seltsamerweise nur wenige Meter pro Stunde.) Ein paar Jahrzehnte später fanden wir heraus, wie man einen Elektronenstrom auf einen phosphoreszierenden Schirm in einer Vakuumröhre abfeuert – voila, Fernsehen.

2. PHOTON: ELEKTROMAGNETISCHER STRAHLUNGSTRÄGER

Die Natur des Lichts hat Wissenschaftler und Philosophen seit der Antike verwirrt. Einige Denker bestanden darauf, dass sich Licht wie eine Welle verhalte; andere (am bekanntesten Isaac Newton) sagten, dass Licht aus Teilchen besteht. Anfang des 20. Jahrhunderts zeigte Albert Einstein, dass Newton auf dem richtigen Weg war und entdeckte, dass Licht „quantisiert“ ist, also aus diskreten Teilchen besteht (obwohl es sich auch wie eine Welle verhalten kann). Im Gegensatz zu Elektronen und Quarks (siehe unten) haben Photonen keine „Ruhemasse“, d. h. sie wiegen im alltäglichen Sinne nichts. Aber Photonen haben immer noch Energie. Diese Energie ist proportional zur Frequenz des Lichts, so dass blaues Licht (höhere Frequenz) mehr Energie pro Photon trägt als rotes Licht (niedrigere Frequenz). Aber Photonen tragen mehr als nur sichtbares Licht; sie übertragen alle Formen elektromagnetischer Strahlung, einschließlich Radiowellen (mit viel niedrigeren Frequenzen als sichtbares Licht) und Röntgenstrahlen (mit viel höheren Frequenzen).

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3. QUARK: DU, ICH, GOLFBALL, STAR, GALAXY

Quarks sind das, woraus die meisten eigentlichen, vertrauten Dinge im Universum bestehen – du und ich, Sterne und Planeten, Golfbälle und Galaxien. Quarks werden durch die sogenannte starke Kernkraft zueinander angezogen, um Protonen und Neutronen zu bilden, aus denen die Atomkerne bestehen. (Zumindest die sichtbaren Teile. Dazu später mehr.) Tatsächlich können sie aufgrund der Besonderheiten der Regeln der Quantenmechanik nur innerhalb dieser größeren, zusammengesetzten Tiere existieren; wir können niemals ein Quark allein sehen. Sie kommen in sechs „Geschmacksrichtungen“ (yup, eine andere Sache der Quantenmechanik): oben, unten, seltsam, charmant, oben und unten. Von diesen sind die Up- und Down-Quarks die stabilsten, daher sind es insbesondere diese beiden, aus denen das meiste „Zeug“ besteht (die anderen können nur unter exotischeren Bedingungen existieren). Das Quark-Modell wurde erstmals in den 1960er Jahren vorgeschlagen und wurde seitdem durch Tausende von Experimenten bestätigt, die 1995 in der Entdeckung des Top-Quarks bei Fermilab gipfelten.

4. NEUTRINO: ZIPPY, MIT EINEM KLEINEN BISSCHEN MASS

Neutrinos sind schwer fassbare, sehr leichte Teilchen, die kaum mit Materie wechselwirken. Sie rasen so mühelos durch Materie, dass sich Physiker lange Zeit fragten, ob sie wie Photonen keine Ruhemasse haben könnten. 1930 von Wolfgang Pauli erstmals theoretisiert, wurden sie in den 1950er Jahren entdeckt – aber erst in den letzten Jahrzehnten konnten Physiker zeigen, dass Neutrinos tatsächlich eine winzige Masse haben. (Der Nobelpreis für Physik 2015 ging an zwei Physiker, deren Experimente halfen, einige der eigentümlichen Eigenschaften des Neutrinos zu bestimmen.) Neutrinos sind zwar winzig, aber auch allgegenwärtig; Etwa 100 Billionen Neutrinos, die im Zentrum der Sonne (der nächstgelegenen Hauptquelle) erzeugt werden, durchlaufen jede Sekunde Ihren Körper. (Und es spielt keine Rolle, ob es Nacht ist; die kleinen Partikel sausen quer durch die Erde, als wäre sie gar nicht da.)

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5. HIGGS BOSON: MÖGLICHER MASSENANBIETER

Das Higgs-Boson, das 1993 von Leon Lederman als „Gottteilchen“ bezeichnet wurde, ist in den letzten Jahren zum berühmtesten aller Teilchen geworden. Erstmals in den 1960er Jahren postuliert (von Peter Higgs sowie mehreren anderen unabhängig arbeitenden Physikern), wurde es schließlich 2012 am Large Hadron Collider bei Genf erwischt. Warum die ganze Aufregung um die Higgs? Das Teilchen hatte sich als letztes Stück des sogenannten „Standardmodells“ der Teilchenphysik gezeigt. Das ab den 1960er Jahren entwickelte Modell erklärt, wie alle bekannten Kräfte mit Ausnahme der Schwerkraft wirken. Man nimmt an, dass die Higgs innerhalb dieses Systems eine besondere Rolle spielen, da sie den anderen Teilchen Masse verleihen.

6. GRAVITON: LETZTES STÜCK DES QUANTENFELDTHEORIE-PUZZLES

Das Graviton (sofern es existiert) wäre ein „Kraftträger“ wie das Photon. Photonen „vermitteln“ die Kraft des Elektromagnetismus; Gravitonen würden dasselbe für die Schwerkraft tun. (Wenn sich ein Proton und ein Elektron durch Elektromagnetismus anziehen, tauschen sie Photonen aus; ähnlich sollten zwei massereiche Objekte, die sich durch die Gravitation anziehen, Gravitonen austauschen.) Dies wäre eine Möglichkeit, die Gravitationskraft rein quantenmäßig zu erklären Feldtheorien – oder, um es einfacher auszudrücken, das Graviton würde Gravitation und Quantentheorie verbinden und damit eine jahrhundertealte Aufgabe erfüllen. Das Problem ist, dass die Schwerkraft bei weitem die schwächste der bekannten Kräfte ist und es keine bekannte Möglichkeit gibt, einen Detektor zu bauen, der das Graviton tatsächlich einfangen könnte. Physiker wissen jedoch einiges über die Eigenschaften, die das Graviton haben muss, wenn es da draußen ist. Zum Beispiel wird angenommen, dass es masselos ist (wie das Photon), es sollte sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und es muss ein „Spin-Two-Boson“ sein, im Jargon der Teilchenphysik.

7. DUNKLE MATTERPARTIKEL: DER SCHLÜSSEL ZUR FEHLENDEN MASSE?

Vor etwa 90 Jahren begannen Astronomen zu bemerken, dass die Art und Weise, wie sich Galaxien bewegen, etwas Komisches an sich hat. Es stellt sich heraus, dass es in Galaxien nicht genug sichtbare Materie gibt, um ihre beobachtete Bewegung zu erklären. Und so kämpfen Astronomen und Physiker damit, die „dunkle Materie“ zu erklären, die angeblich die fehlende Masse ausmacht. (Tatsächlich wird angenommen, dass es im Verhältnis fünf zu eins viel mehr Dunkle Materie als gewöhnliche Materie gibt.) Woraus könnte Dunkle Materie bestehen? Eine Möglichkeit besteht darin, dass es aus noch unbekannten fundamentalen Teilchen besteht, die wahrscheinlich in den ersten Momenten nach dem Urknall entstanden sind. In der Hoffnung, diese Teilchen zu finden, laufen derzeit eine Reihe von Experimenten.

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8. TACHYON: URSACHE UND WIRKUNG MUDDLER (UND WAHRSCHEINLICH NICHT REAL)

Seit Einstein den ersten Teil seiner Relativitätstheorie, die spezielle Relativitätstheorie, vorgelegt hat, wissen wir, dass sich nichts schneller als Licht bewegen kann. (Es ist in Ordnung, sich mit Lichtgeschwindigkeit zu bewegen, wenn Sie masselos sind – wie ein Photon.) Tachyonen sind hypothetische Teilchen, die sich immer schneller als Licht fortbewegen. Unnötig zu erwähnen, dass sie nicht sehr gut mit dem harmonieren, was wir über die Funktionsweise des Universums wissen. Doch in den 1960er Jahren fanden einige Physiker ein Schlupfloch: Solange das Teilchen über Lichtgeschwindigkeit erzeugt wurde und sich nie langsamer als Licht fortbewegte, könnte es theoretisch existieren. Trotzdem sind Tachyonen sehr wahrscheinlich nicht real. (2011 gab es große Aufregung, als Wissenschaftler eines Teilchenphysiklabors in Italien behaupteten, dass eine bestimmte Art von Neutrino etwas schneller als das Licht reiste; sie gaben später zu, dass sie einen Fehler gemacht hatten.) Wenn es Tachyonen gibt, denken manche Leute sie könnten verwendet werden, um Signale in die Vergangenheit zu senden, ein Durcheinander von Ursache und Wirkung zu verursachen und zu berühmten Rätseln wie dem Großvater-Paradoxon zu führen. Aber die meisten Physiker sagen, dass dies im unwahrscheinlichen Fall, dass sie existieren, kein Problem wäre, da Tachyonen sowieso nicht mit normaler Materie (wie uns) interagieren sollen.