Der letzte Baustein

Der Aufbau der Materie und die Suche nach dem Higgs-Teilchen

Bis ins 20. Jahrhundert dachte man, Atome seien das kleinste Unteilbare. Dann entdeckten Forscher, dass sie aus weiteren Elementarteilchen zusammengesetzt sind: Protonen, Neutronen und Elektronen. Aber damit war noch lange nicht Schluss. Heute sind die Forscher dem, was die Welt im Innersten zusammenhält, so nahe gekommen wie nie zuvor. Und doch fehlt etwas, um die Lücke in der "Theorie von allem" zu schließen: ein winziges Teilchen, ein letzter Mosaikstein, der das Bild von der Materie vervollständigt.

Apfel explodiert
Wie weit können wir zu den Elementen der Schöpfung vorstoßen? Quelle: Getty Images

Schon die alten Griechen glaubten an unteilbare Teilchen, aus denen sich unsere Welt und alle Materie zusammensetzt. Diese kleinsten Bausteine, die Atome, wurden im 19. Jahrhundert von Mendelejew nach ihren Eigenschaften geordnet. So entstand das Periodensystem. Aber was steckt hinter diesen Elementen, was sind die kleinsten Bestandteile der Atome?

Der Rutherfordsche Streuversuch

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts revolutionierte die Wissenschaft das Bild von der Materie. Forscher wie Niels Bohr, Ernest Rutherford und Albert Einstein rüttelten an den überkommenen Vorstellungen. Jeder der drei Forscher wurde für bahnbrechende Erkenntnisse über den Aufbau der Materie mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Ernest Rutherford experimentierte an der Universität Manchester mit radioaktiven Alpha-Teilchen, um die innere Struktur der Atome zu erforschen.

Rutherford-Experiment (Trick)
Das Rutherford-Experiment Quelle: ZDF

1911 führte er ein berühmt gewordenes Experiment durch: Er packte strahlendes Radium in einen Bleiblock und schickte durch eine kleine Öffnung einen Strahl von Alpha-Teilchen, der auf eine hauchdünne Goldfolie traf. Die Goldfolie umgab er mit einem fotografischen Detektor, um festzustellen, wie viele der Teilchen durch die Kollision mit den Goldatomen in welchem Winkel gestreut wurden. Das Ergebnis: Der allergrößte Teil der Teilchen durchdrang die Folie ungehindert, nur ein winziger Teil wurde von ihr abgelenkt oder sogar zurückgeworfen. Rutherford schloss aus dem Verhältnis von Durchgang durch die Materie und Ablenkung auf die Größenverhältnisse im Inneren des Atoms: Zwischen den Atomkernen musste noch viel Platz sein, oder anders ausgedrückt, der Radius des Gesamtatoms musste bedeutend größer sein als der Radius des Atomkerns.

Das Bohrsche Atommodell

Auf dieser Basis entwickelte Rutherfords ehemaliger Assistent Niels Bohr in Dänemark ein verfeinertes Atommodell. Das neue Bild vom Atom ließ ihn nicht los. Er entwickelte ein Modell des Allerkleinsten, das schließlich nach ihm benannt wurde. Im Bohrschen Atommodell kreisen Elektronen auf stabilen Bahnen um den Atomkern. Jede dieser Bahnen entspricht einem definierten Energieniveau. Der Kern besteht seinerseits aus weiteren Bausteinen, den Neutronen und den Protonen.

Auch in Bohrs Modell ist zwischen den Teilchen viel Platz. Wäre ein Atom so groß wie eine Kathedrale, hätte der Kern etwa die Größe einer Stubenfliege. Die Elektronen würden in weitem Abstand an den Wänden entlangfliegen. Das gesamte Kirchenschiff bliebe leer. Trotz dieser Leere im Innern der Atome können die winzigen Bausteine nicht aneinander vorbeigleiten. Denn enorme Kräfte halten die Elementarteilchen zusammen und verhindern eine Annährung der Atomkerne.

Suche nach dem Allerkleinsten

Wo hört die Materie auf, wo ist der Rand der Wirklichkeit? Inzwischen haben die Wissenschaftler eine ziemlich genaue Vorstellung davon, wie die Materie in die Welt kam und aus welchen Bausteinen sie besteht. In ihrem Theoriengebäude gibt es aber eine letzte Lücke. Seit Jahrzehnten jagen Forscher ein winziges Geisterteilchen, den letzten Mosaikstein, der das Bild von der Materie vervollständigt. Es wäre die Antwort auf das größte Rätsel im Universum: Was ist es, das die Welt im Innersten zusammenhält?

Atomkern mit Elektronen (Animation)
Atomkerne - auch sie sind nicht das unteilbar Kleinste. Quelle: Parthenon

Diese Frage bewegt Forscher, seit sie wissen, dass Atome nicht das unteilbare Kleinste sind. Nach der Entdeckung der Kernspaltung durch Otto Hahn und Liese Meitner in den 1930er-Jahren setzte sich die Suche nach noch kleineren Bestandteilen der Materie fort. Bald ließen die Forscher in riesigen Beschleunigern Teilchen aufeinanderprallen. Die Bruchstücke, die durch solche Kollisionen entstehen, hinterlassen Spuren auf Detektoren - jede Spur ein neu entstandenes Teilchen. Auf diese Weise wurden immer wieder neue Kernbauteile entdeckt.

Lücke im Welterklärungsmodell

Anfang der 1960er-Jahre stand fest: Im Atomkern gibt es 16 fundamentale Teilchen. Diese gliedern sich zum Beispiel in Up-Quarks, Down-Quarks und Leptonen. Auf diesen Teilchen gründen die Wissenschaftler ihre Theorie von der Beschaffenheit der Materie. Das Modell ist fast perfekt, aber: Es fehlt der "Kitt" zwischen den Bestandteilen. Die bekannten Teilchen können den starken Zusammenhalt der Materie nicht erklären. Ein noch unbekanntes Teilchen soll für die Eigenschaften der Materie verantwortlich sein: das Higgs-Teilchen, benannt nach dem Physiker, der es vorausberechnet hatte. Dieses "Geisterteilchen" würde die Lücke im Theoriegebäude schließen.

Um es aufzuspüren, führen Wissenschaftler Experimente mit riesigen Beschleunigern durch. Vor fast 50 Jahren startete die Suche in den USA. Die Europäer vom CERN, dem Europäischen Kernforschungszentrum mit Sitz in der Französischen Schweiz nahe Genf, zogen 20 Jahre später nach. Welcher Beschleuniger wird das Higgs-Teilchen als Erster erzeugen? Noch ist der Wettlauf nicht entschieden. Fest steht aber: Derjenige, der das fehlende mysteriöse Teilchen als Erster entdeckt, wird Geschichte schreiben und könnte wohl den Nobelpreis für Physik bekommen.

Jagd auf das Geisterteilchen

Das größte Experiment der Welt findet in einer rund 27 Kilometer langen kreisförmigen Tunnelröhre unter Schweizer Boden statt: Verborgen im Untergrund sollen in diesem Teilchenbeschleuniger, Large Hadron Collider (LHC) genannt, Bestandteile von Atomkernen - Protonen und Neutronen - im Vakuum bis in die Nähe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und aufeinander zugejagt werden. 25 Meter hohe Detektoren halten die Ereignisse fest. Auch in den USA, in der Nähe von Chicago, wollen Forscher mit einer riesigen unterirdischen Maschine das gleiche Ziel erreichen.

Detektor im Teilchenbeschleuniger
Riesige Detektoren im Genfer LHC Quelle: ZDF

Mit immer höherer Energie werden Bausteine der Materie gegeneinander geschossen. Je heftiger die Kollision, desto mehr Bruchstücke sollen dabei entstehen. Die Hauptaufgabe der Forscher ist, in dem Gewirr von Spuren neue zu entdecken - Botschaften, die von dem noch unbekannten Teilchen stammen. Das gleicht der Suche nach der Nadel im Heuhaufen, denn man weiß: Wenn es sich überhaupt zu erkennen gibt, dann nur in ganz wenigen Spuren. Selbst innerhalb des CERN gibt es konkurrierende Arbeitsgruppen. Jede hofft, mit ihren Detektoren die erste zu sein, die das Higgs-Teilchen ausmacht. Auch in den USA wird der Beschleuniger immer wieder für die große Aufgabe nachgerüstet. Inzwischen sehen sich die Mannnschaften der Forscher bei ihrem Wettlauf aber auf der Zielgeraden.

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