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Die physikalischen Grundbausteine der Welt

17 Teilchen – mehr braucht es nicht, um unsere Welt zu beschreiben. Aber Physiker stecken noch mitten in der Forschung. Die Vorstellung des Weltenmodelles wandelt sich.

Videolänge:
4 min
Datum:
30.04.2021
Verfügbarkeit:
Video verfügbar bis 30.04.2026

Die Welt mag kompliziert sein, doch wenn man sie vollständig zerlegt, landet man bei 17 Elementarteilchen. Die Grundbausteine der Welt. Nehmen wir mal an, diese Art die Welt zu beschreiben entspräche einem Haus. Etwa dem Erlebnismuseum Schloss Freudenberg in Wiesbaden.  Jedes seiner Zimmer steht für eines der 17 Teilchen des Standardmodells. Das Handbuch der Welt – die Grundlage für die Bauanleitung des Universums.

Martin Fertl, Experimentalphysiker der Universität Mainz

"Es ist eigentlich überraschend wie komplex es ist, dass es 17 sind, aber die Zahl 17 ist es nicht von vornherein festgelegt. Es könnten noch mehr sein. Wir haben sie vielleicht nur noch nicht entdeckt die anderen Teilchen."

Sagen wir mal im Keller dieses Elementarteilchen-Hauses wohnen die Quarks. Teilchen, die in den Kernen der Atome stecken, zu Protonen und Neutronen verbunden. „up“ und „down“, „charm“ und „strange“.

Immer zwei gehören zu einer Generation. Und allein sind sie eh nicht gerne.

Martin Fertl

"Quarks haben wir bisher noch nie im Experiment einzelnen gesehen, sondern immer nur im Verbund mit Anti-Quarks oder im einem Dreierverbund gebunden. Und Versuche sie zu befreien sind fehlgeschlagen, weil dann immer neue Teilchen entstehen, aber nie freie Quarks."

Und dann gibt es noch die ganz schweren Quarks: „Bottom“ und „Top“. Das schwerste unter den Elementarteilchen.

Man gibt den Quarks übrigens Farben. Reine Physikerphantasie.

Martin Fertl

"Weil es so abstrakt ist, versucht man Alltagserfahrungen bei den Teilchen zuzuordnen, um sie leichter sortieren zu können."

Neben den 6 Quarks gehören auch Elektron, Myon und Tau zu unserer Welt. Zusammen mit den Quarks sind sie Materieteilchen, das Baumaterial des Universums.

Elektronen kennt jeder als Träger elektrischer Ladung, Das Elektron lebt wahrscheinlich ewig, die beiden schweren Brüder Myon und Tau zerfallen in Sekundenbruchteilen in andere Elementarteilchen.

Martin Fertl

"Nein ich find‘s nicht enttäuschend, dass die Elementarteilchen in einander übergeben. Es sorgt dafür, dass wir spannende Prozesse haben, die wir studieren können.  Deswegen müssen die Myonen sterben damit wir neue Informationen gewinnen können."

Und dann gibt es noch die zugehörigen Neutrinos.  Geisterteilchen. die ständig Milliardenfach auch durch uns fliegen. Vielleicht einmal im Leben trifft ein Neutrino ein Teilchen unseres Körpers.

Martin Fertl

"Das passt bei den Neutrinos sehr gut, dass wir sie in einem Raum darstellen, zu dritt. Wenn sie sich frei durch‘s Vakuum bewegen, dann wandeln sich die Neutrinos ineinander um. Und das konnten wir messen. Absolut krasse Sache und es gab auch einen Nobelpreis dafür."

Damit ergibt sich bisher folgendes Bild: 6 Quarks, Elektron, Myon und Tau und die drei zugehörigen Neutrinos. Verwandtschaftlich gruppiert in 3 Generationen. Macht zusammen 12.

Alles, ob Sterne, Menschen, Tiere, Pflanzen, alles lässt sich aus diesen Teilchen zusammensetzen. Fehlt nur noch das, was das Ganze zusammenhält:

Die Kraft- oder Austauschteilchen. Davon gibt es 4 Stück.

Lichtteilchen oder Photonen sind uns vertraut. Die vermitteln die elektronmagnetische Kraft. Außerdem gibt es W und Z Bosonen für die schwache Kraft und die Gluonen als Klebeteilchen zwischen den Quarks. Sie erzeugen die starke Kraft.

Martin Fertl

"Soweit wird es wissen und die Beschreibungen richtig sind, wird die Wechselwirkung zwischen den Teilchen immer durch diese Austauschteilchen vermittelt. Die flitzen ständig zwischen den Teilchen hin und her."

Eine gewöhnungsbedürftige Weltbeschreibung. Und eben nur ein Bild. Tatsächlich sind da keine Kugeln, die sich bewegen, sondern Punkte ohne Ausdehnung. Das Modell ist nicht die Realität selbst, sondern eher eine Metapher, mit der sich rechnen lässt.

Martin Fertl

"Wenn ich über Elementarteilchen nachdenke, denke ich häufig trotzdem doch noch an diese kleinen Kugeln, die sich bewegen und rotieren. Aber ich weiß natürlich immer, dass dieses Bild nur eine Annäherung ist und man manche Prozesse eben auch in dieser Annäherung dann nicht mehr beschreiben kann und sich der Grenzen dieser Bilder sehr bewusst sein muss."

Ach ja, eines fehlt noch: Nummer 17, das berühmte Higgs. Der Sonderling, der anderen Teilchen Masse verleihen kann.

Doch Aufregung gibt es gerade beim Myon. Denn es zeigt Eigenschaften, die so gar nicht zum Rest des Hauses passen.

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