Aufbau der Materie

Bei der Suche nach einer Erklärung dafür, „was die Welt im Innersten zusammenhält“, stießen Physiker in immer kleinere Dimensionen vor. Dabei wurden nicht nur neue Strukturen der Materie, sondern auch bislang unbekannte Kräfte entdeckt.

Alle Galaxien, Sterne und Planeten, die Dinge unseres alltäglichen Lebens und auch wir Menschen sind aus Materie aufgebaut,die nur aus drei Teilchenarten besteht: den positiv geladenen Protonen, den elektrisch neutralen Neutronen und den negativ geladenen Elektronen. Protonen und Neutronen sind die Bausteine des Atomkerns, der von einer Hülle aus Elektronen umgeben ist. Die verschiedenen chemischen Elemente unterscheiden sich durch die Zahl der Protonen im Kern, und die Elektronen verbinden die Atome zu Kristallen oder Biomolekülen.So entstehen die komplexen Strukturen der unbelebten wie belebten Natur.

Vier Grundkräfte der Physik

Den Zusammenhalt der Materie bewirken vier Naturkräfte. Die Galaxien des Universums und unser Sonnensystem entstanden und existieren durch die Gravitation, die wir auf der Erde als Schwerkraft erleben. Auf atomarer Ebene dominiert die elektromagnetische Kraft zwischen den positiv geladenen Atomkernen und den negativ geladenen Elektronen. Seit etwa dreißig Jahren wissen wir, dass die Protonen und Neutronen, zusammenfassend Nukleonen genannt, selbst wiederum eine innere Struktur besitzen und aus elementaren Teilchen zusammengesetzt sind, den Quarks.

Die Atomkerne werden durch die Starke Kraft stabilisiert, die sowohl die Nukleonen zusammenhält als auch die Quarks in den Nukleonen. Auf nuklearer Ebene wirkt eine weitere Kraft, die sogenannte Schwache Wechselwirkung. Sie ist für den radioaktiven Zerfall der Atomkerne verantwortlich und für die Fusion leichter Atomkerne, die als Energiequelle von Sternen wie unserer Sonne das Leben auf der Erde ermöglicht.

Besonders die Starke Kraft gibt den Physikern noch viele Rätsel auf. Zwischen den Quarks wird die Starke Kraft durch den Austausch von Teilchen, den sogenannten Gluonen (von engl. glue = Klebstoff) vermittelt. Die Gluonen verbinden Quarks wie Gummibänder, und das hat erstaunliche Konsequenzen: Ist der Abstand zweier Quarks sehr klein, ist die anziehende Kraft zwischen ihnen sehr schwach. Je größer jedoch der Abstand zwischen den Quarks ist, desto stärker wird die Kraft zwischen Ihnen. 

Quarks können daher niemals isoliert auftreten, Physiker sprechen von Confinement. Diese rätselhafte Eigenschaft unterscheidet die Quarks von allen anderen Teilchen. In den Nukleonen sind Quarks als Dreiergruppen gefangen. Damit verbunden ist ein weiteres rätselhaftes Phänomen: Ein Nukleon ist schwerer als die Summe seiner Bestandteile. Die Masse der Quarks trägt weniger als zwei Prozent zur Nukleonenmasse bei, und die Gluonen sind masselos. Die Masse der punktförmigen Quarks wird erzeugt durch ihre Wechselwirkung mit dem sogenannten Higgs-Teilchen, das vom Standardmodell der Elementarteilchenphysik vorhergesagt wird.

Woher kommt die Masse?

In Experimenten am Large-Hadron-Collider des CERN wurde jüngst ein neues Teilchen entdeckt, das Eigenschaften des seit langem gesuchten Higgs-Teilchens besitzt. Die Masse der Nukleonen – und damit die Masse des sichtbaren Universums – lässt sich durch das Higgs-Teilchen allerdings nicht erklären. Gemäß der Theorie der Starken Kraft steckt ein großer Teil der Masse der Nukleonen in der Bewegungsenergie der Quarks und in der Energie des Gluonenfeldes, das die Quarks zusammenhält. Damit würden die Atomkerne und die Materie insgesamt hauptsächlich aus Bewegungs- und Feldenergie bestehen! Albert Einstein beschrieb diese Äquivalenz von Energie und Masse in seiner berühmten Formel E = mc². 

In der kosmischen Strahlung und in Laborexperimenten mit Beschleunigern wurden weitere – allerdings sehr kurzlebige – Teilchen entdeckt. Sie bestehen entweder aus drei Quarks oder aus Paaren von Quarks und ihren Antiteilchen, den sogenannten Antiquarks. Es gibt sogar Teilchen, die aus drei Antiquarks bestehen, diese bilden die Grundbausteine der Antimaterie.

Heute sind sechs verschiedene Quarksorten bekannt, die sich sehr stark in ihrer Masse unterscheiden. Nukleonen bestehen aus leichten Quarks, die eine Masse von nur etwa einem Prozent eines Nukleons besitzen. Das schwerste Quark hingegen hat fast die 200-fache Masse eines Nukleons. Alle aus Quarks oder Antiquarks zusammengesetzten Teilchen werden als Hadronen bezeichnet.