Einfach HIM: Unsere Forschung für jedermann
Auf den Spuren der starken Wechselwirkung
Das Helmholtz-Zentrum Mainz erforscht jene Kraft, die unsere Welt im Innersten zusammenhält
Das Helmholtz-Zentrum Mainz (HIM) beschäftigt sich mit einer Grundfrage der Physik: Warum gibt es stabile Materie, was hält sie zusammen? Zwar hat die Forschung der letzten Jahrzehnte ein profundes Bild über den Aufbau der Welt geliefert. Dennoch sind nach wie vor viele Fragen offen: Wie im Detail sind Protonen und Neutronen zusammengesetzt, die Bausteine eines jeden Atomkerns? Und was genau kennzeichnet die Kraft, die diese Teilchen zu jener Materie „verklebt“, von der wir umgeben sind und aus der wir selber bestehen? Die Forscher des HIM untersuchen diese Fragen mit großen Beschleunigeranlagen, hochempfindlichen Nachweisgeräten und aufwändigen Superrechnern.
Aus Sicht des Physikers besteht die Welt aus winzigen Teilchen. Könnte man mit einem Supermikroskop beliebig tief in ein Salzkorn hineinzoomen, würde man zunächst ein Kristallgitter erkennen und dann die Atome, aus denen der Kristall aufgebaut ist – Natrium und Chlor. Bei der nächsten Vergrößerungsstufe würde man sehen, dass die Atome aus einer Hülle bestehen, gebildet aus Elektronen, und einem winzigen, massiven Kern. Dieser Kern wiederum ist aus noch kleineren Teilchen zusammengesetzt – aus Protonen und Neutronen. Ein letztes Heranzoomen verrät, dass diese Teilchen sogar aus noch kleineren Untereinheiten bestehen – den Quarks.
Gemeinsam mit den Elektronen gelten diese Quarks als die Grundbausteine der Welt, als unteilbare Bauklötzchen der Materie. Mittlerweile kennen die Forscher sechs Quark-Sorten von unterschiedlicher Masse. Nur zwei Sorten sind stabil und bauen die uns vertraute Materie auf. Die anderen vier sind instabil und zerfallen gleich nach ihrer Erzeugung wieder. Daneben gibt es sechs leichtgewichtige Teilchen, sogenannte Leptonen – zu ihnen zählt das Elektron. Die Theorie, die das Treiben all dieser Winzlinge beschreibt, heißt „Standardmodell der Teilchenphysik“. Es ist eine regelrechte Theoriesammlung, in der sich alles manifestiert, was derzeit als gesicherter Stand gelten darf.
Das Standardmodell beschreibt auch die Kräfte, die zwischen den Teilchen wirken. Die wohlvertraute Gravitation spielt im Mikrokosmos praktisch keine Rolle – sie ist dort so schwach, dass sie bei den Berechnungen schlicht unter den Tisch fällt. Anders die elektromagnetische Kraft: Sie wird durch die elektrischen Ladungen der Teilchen verursacht. Ein Partikel kann positiv oder negativ geladen sein; gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Eine weitere fundamentale Wechselwirkung ist die „schwache Kraft“. Sie spielt bei radioaktiven Kernzerfällen sowie bei der Kernverschmelzung in der Sonne eine Rolle: Beide Prozesse, Kernfusion wie Kernzerfall, werden durch die schwache Kraft ausgelöst – bildlich gesprochen kann sie ein Elementarteilchen in andere verwandeln.
Doch dafür, dass Quarks zusammenhalten und Teilchen wie Protonen bilden können, sorgt die starke Kraft. Ihr Effekt entspricht dem eines Expanders aus dem Fitnessstudio: Je weiter man zwei Quarks auseinanderzieht, desto mehr spannt sich das Gummi zwischen ihnen, und desto stärker hat man zu ziehen. Dieser Gummibandeffekt ist so stark, dass das Band zwischen zwei Quarks niemals reißen kann. Die Folge: Quarks kommen nie alleine vor; sie treten stets gemeinsam auf, in der Regel als Pärchen oder „Dreierbanden“. Übermittelt wird diese starke Wechselwirkung durch Botenteilchen, die „Gluonen“. Sie flitzen unmessbar schnell zwischen den Quarks hin und her und übertragen die enorme Haftwirkung zwischen ihnen.
Kurz: Ohne die starke Wechselwirkung würde die uns umgebende Materie nicht zusammenhalten. Außerdem dürfte sie bei der frühen Entwicklung des Universums eine zentrale Rolle gespielt haben: Unmittelbar nach dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren soll das Weltall noch so klein und heiß gewesen sein, dass die starke Wechselwirkung gegenüber den anderen Naturkräften die dominierende Rolle gespielt haben dürfte.
Die Erforschung der starken Wechselwirkung steht im Blickpunkt des Helmholtz-Zentrums Mainz. Zwar gibt es im Rahmen des Standardmodells bereits eine Theorie, die die grundlegenden Eigenschaften der starken Kraft gut beschreiben kann – die Quantenchromodynamik. Doch mit dieser Theorie lassen sich längst nicht alle Fragen beantworten: Versucht man beispielsweise, das Innenleben eines Protons in allen Einzelheiten zu beschreiben, werden die Berechnungen rasch zu kompliziert. Hier sind aufwändige Experimente und Rechnersimulationen nötig, um in der Forschung weiterzukommen. Die Ergebnisse dieser Versuche tragen wiederum dazu bei, die Quantenchromodynamik zu verfeinern – ein Wechselspiel zwischen Theorie und Experiment.
Für ihre Arbeiten entwickeln und nutzen die HIM-Physiker hochklassige Forschungswerkzeuge, insbesondere die Teilchenbeschleuniger am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt. Beschleuniger bringen elektrisch geladene Teilchen auf ein Tempo, das bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit reichen kann. Diese Raser lässt man mit voller Wucht auf Materie prallen – wobei exotische, überaus kurzlebige Teilchen entstehen. Diese Teilchen (oder genauer gesagt ihre Bruchstücke) weisen die Physiker mit Detektoren nach, die mit hochsensibler Messtechnik gespickt sind. Aus der Analyse der Messdaten lassen sich neue Details etwa über Aufbau des Protons in Erfahrung bringen – und damit neue Einzelheiten über die starke Kraft.
Bei einer weiteren Klasse von Versuchen werden Atomkerne beschleunigt und auf andere Kerne gefeuert – wodurch sich neue, superschwere Elemente bilden können. Auch deren detaillierte Analyse kann letztlich Aufschlüsse über das Wesen der starken Wechselwirkung geben. Und schließlich verwenden die HIM-Experten superschnelle Großrechner für ihre Forschung: In aufwändigen Simulationsrechnungen bilden sie das Kräftespiel der Quarks im Detail nach – und können dadurch prüfen, wie gut die Daten aus den Experimenten mit den Aussagen der Theorie übereinstimmen.
Links:
Was ist FAIR (Beschleuniger-Anlage zur Forschung mit Antiprotonen und Ionen)?
Was macht die GSI (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt)?
Was forschen die Physiker in Mainz (Institut für Physik JGU Mainz)?