| Vor
15 Milliarden Jahren entstand das Universum mit einem gewaltigen Knall - dem URKNALL. Ein winziger Raumzeitbereich, kleiner als ein Atom, gigantisch heiss und energiegeladen, explodierte in weniger als einer billionstel Sekunde. Aus der geballten Energie entstanden Materie und Antimaterie, Atome, Moleküle, Mäuse und Menschen.
|
|
| Kosmische
TeilchenbeschleunigerMit Radioteleskopen haben Astronomen Galaxien entdeckt,aus
deren Zentren ein oder zwei Teilchenstrahlen bis zu einer Million Lichtjahre weit ins All
hinausschießen.Diese Jets enden in großen Gaswolken. Die Jet-Teilchen, vorwiegend
wahrscheinlich Elektronen, werden in den Zentren der Galaxien nahe einem Schwarzen Loch
bis fast auf Lichtge-schwindigkeit beschleunigt.Dies geschieht senkrecht zu der Scheibe,
die das Schwarze Loch umgibt. Wahrscheinlich spielen Magnetfelder bei diesen Vorgängen
die entscheidende Rolle.
|
Die kosmische Evolution Galaxienhaufen sind keineswegs gleichmäßig im Universum verteilt. Sie scheinen sich in gewaltigen länglichen und flächigen Strukturen mit Ausdehnungen von mehreren hundert Millionen Lichtjahren anzuordnen. Zwischen diesen "Galaxienwänden" existieren weite Lücken, in denen sich nur wenige Galaxien finden. Das Universum scheint auf großräumiger Skala eine blasenartige, schaumige Struktur zu besitzen. Wie sie sich ausbilden konnte, ist eines der größten Rätsel der Kosmologie. Problematisch wird dieses Phänomen insbesondere im Zusammenhang mit der Beobachtung der so genannten kosmischen Hintergrundstrahlung. Sie entstand bereits wenige hunderttausend Jahre nach dem Urknall. Atome im damaligen Urgas sandten die Strahlung aus, die seitdem das Universum durchzieht und den gesamten Himmel erfüllt. Sie ist die älteste Kunde, die wir aus dem Universum erhalten können. Anfang der neunziger Jahre entdeckten Astronomen schwache Strukturen in diesem Strahlungsfeld. Sie spiegeln Verdichtungen im damaligen Urgas wieder – die Keime der späteren Galaxienhaufen. Allerdings lag die Dichte in den damaligen Wolken nur einige hundertstel Promille über dem Durchschnitt. Es scheint heute unmöglich, dass sich unter dem Einfluss der Schwerkraft aus diesen schwach ausgeprägten Urwolken die heutigen Galaxienhaufen bilden konnten. Einen möglichen Ausweg sehen Kosmologen in der Existenz noch unbekannter Elementarteilchen der Dunklen Materie. Diese Partikel müssten die Eigenschaft besitzen,zwar aufgrund ihrer Masse Schwerkraft auszuüben,jedoch keine Strahlung auszusenden oder zu verschlucken. So wäre es möglich,dass im Urgas bereits dichtere, unsichtbare Klumpen Dunkler Materie vorhanden gewesen sind, die aber in der Hintergrundstrahlung nicht erscheinen. Die normale Materie hätte sich in den Schwerefeldern dieser Dunklen Wolken ansammeln und weiter zu den Galaxien zusammenballen können . Ob diese Hypothese stimmt, wollen die Forscher mit zukünftigen Weltraumobservatorien, an denen auch deutsche Institute beteiligt sein werden, herausfinden. Eine andere Möglichkeit, dieses Problem anzugehen, besteht darin, die Entwicklung der Materie vom nahezu gleichmäßig verteilten Urgas zu den heutigen Galaxien und Galaxienhaufen mit den leistungsstärksten Computern zu simulieren. Die derzeit umfangreichsten Rechnungen dieser Art leistet eine Gruppe von deutschen, britischen und amerikanischen Theoretikern. Sie ersetzen die Materie im Universum durch eine Milliarde virtueller Teilchen und lassen diese unter dem Einfluss der Schwerkraft frei agieren. Mit einer Milliarde Teilchen lassen sich zwar nicht einmal alle Galaxien im Kosmos darstellen, aber die Forscher bekommen einen Eindruck von der Selbstorganisation der Materie unter dem Einfluss der Schwerkraft. Damit haben die Kosmologen den vielleicht letzten Schritt auf dem Weg zur Relativierung der menschlichen Existenz getan. Kopernikus machte klar, dass die Erde nicht im Mittelpunkt des Kosmos ruht, Hubble zeigte, dass unser Milchstraßensystem nur eines unter Milliarden anderen ist und dass alle diese Sternsysteme voneinander fortstreben. Heute finden die Kosmologen immer mehr Hinweise darauf, dass alle Sterne und Galaxien nur einen Bruchteil der gesamten Materie im Universum ausmachen und eine unsichtbare Substanz die Evolution der Welt steuert. |
 Edwin Hubble (1889-1953) |
Der Begriff des
"expandierenden Universums" ist untrennbar mit dem amerikanischen Astronomen
Edwin Powell Hubble (1889-1953), einem Pionier bei der Entdeckung von Galaxien ausserhalb
der Milchstraße verbunden. Hubble studierte Physik und Astronomie an der Universität von
Chicago (wo er auch als Schwergewichtsboxer glänzte), promovierte in Oxford in
Rechtswissenschaften und arbeitete kurz als Anwalt. Nach dem 1. Weltkrieg kehrte er nach
Chicago zurück, um den Doktortitel in Astronomie zu erwerben und arbeitete meistens im
Observatorium auf dem Mount Wilson in Kalifornien. 1983 wurde das bislang grösste Observatorum im Weltraum nach ihm benannt; das «Hubble-Teleskop». |
| Hochenergie- und
Plasmaphysik/Quantenoptik Quelle: Max Planck-Gesellschaft (Hochenergie) Beschreibung Hochenergie- und Plasmaphysik/Quantenoptik Wissenschaftler in der physikalischen Grundlagenforschung untersuchen die Eigenschaften der Materie auf ihrem fundamentalsten Niveau, der Interaktion zwischen Elementarteilchen sowie der Bau- und Symmetrie-Prinzipien, die zu jenen reichhaltigen Strukturen und Phänomenen führen, die wir in der Welt um uns herum beobachten können. Gesucht wird ein tiefgreifendes Verständnis jener Prozesse, die zur Entstehung des Kosmos, der Struktur der Materie auf kürzester Distanz zwischen den Teilchen, wo Quanteneffekte dominieren und zur Struktur von atomaren und molekularen Systemen geführt haben, die chemische und biologische Systeme in unserer Alltagswelt prägen und kontrollieren. Teildisziplinen sind Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik, Kernphysik, Atom- und Molekülphysik, Quantenoptik, Plasmaphysik, Gravitationsphysik sowie Theoretische Physik. Physikalische Grundlagenforschung steht in enger Verbindung zur Mathematik und beeinflusst alle anderen Naturwissenschaften. Die Zusammenarbeit mit Forschern anderer Disziplinen nimmt immer mehr zu, wie in der biologischen Physik auf molekularem Niveau, der Quanteninformation am Interface zur Informatik, in der Kosmologie oder in der mathematischen Physik, beispielsweise bei der Entwicklung der String-Theorie zur Beschreibung von Quantenprozessen. In der Grundlagenforschung entstehen neue Werkzeuge und Technologien, um unser Verständnis physikalischer Systeme zu verbessern – von Teilchenbeschleunigern, um die Physik an der Grenze höchster Energien und kleinster Abstände zu testen, bis zu Detektoren für Gravitationswellen, dem neuen Fenster zu kosmologischen Ereignissen, die von der Geburt des Universums bis zum Todeskampf von Sternen reichen. Die für die Geräte erforderliche extreme Empfindlichkeit erfordert immer wieder neue technologische Entwicklungen. Beispielsweise muss ein Gravitationswellen-Detektor Veränderungen registrieren, die sich in einem Tausendstel des Durchmessers eines Elementarteilchens wie des Protons abspielen, um letztlich die Gravitationswellen von kosmologischen Explosionen messen zu können. Elementarteilchenphysik Teilchenphysiker untersuchen die elementaren Bausteine der Materie und ihre Wechselwirkungen. Ihre Kernfragen ranken sich um ein Modell, wonach alle beobachteten Naturphänomene auf vier verschiedene Kräfte zurückgeführt werden können, nämlich (I) die starke Wechselwirkung, verantwortlich unter anderem für die Kernkräfte, (II) die schwache Wechselwirkung, die sich zum Beispiel in vielen radioaktiven Zerfallsprozessen manifestiert, (III) die elektromagnetische Wechselwirkung, und (IV) die Gravitationskräfte. Dieses so genannte „Standardmodell“ kombiniert aber nur drei dieser fundamentalen Wechselwirkungen; die Gravitation wird davon nicht erfasst. Deshalb ist es ein wesentliches Ziel, den Gültigkeitsbereich des Standardmodells durch immer präzisere Tests festzustellen und nach Hinweisen für eine „Physik jenseits des Standardmodells“ zu suchen. Hierbei bietet die zunehmend engere Verknüpfung zwischen Teilchenphysik sowie Astrophysik und Kosmologie die Möglichkeit, detailliert nach der Entstehung und Entwicklung des Universums fragen, und die Gesetze der Natur auch in dem extremen Zustand, der unmittelbar nach dem Urknall geherrscht hat, zu verstehen. Schlüsselthemen der Teilchenphysik sind heute: • die Entstehung und Größe der Masse von Elementarteilchen, • die Eigenschaften von Neutrinos, • der Ursprung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum, • die Vereinigung aller Teilchen und Kräfte einschließlich der Gravitation. Experimente am größten im Bau befindlichen Beschleuniger, dem Large Hadron Collider (LHC) im CERN, sollen eine der Schlüsselvorhersagen des Standardmodells überprüfen, nämlich die Existenz des sehr schweren Higgs-Teilchens. Man hofft damit herauszufinden, durch welche Mechanismen die Masse von Elementarteilchen erklärt werden kann. Ferner sollen die Verletzung der CP-Symmetrie zwischen Teilchen und Antiteilchen, die letztlich verantwortlich ist für die Dominanz von Materie gegenüber Antimaterie im Universum sowie die Eigenschaften eines neuen Materiezustands, des Quark-Gluon-Plasmas, untersucht werden. Diese Experimente erfordern die Anwendung der neuesten Technologien für Teilchendetektoren und ihre elektronischen Interfaces hinsichtlich Geschwindigkeit, Energieauflösung und Strahlungshärte. Zudem fallen bei den LHC-Experimenten jedes Jahr gigantische Datenmengen im Pentabyte-Bereich an – selbst nach millionenfacher Datenreduktion durch hierarchisches Datenfiltern. Die Auswertung dieser Daten wird zu einer globalen Tätigkeit, mit einem Netzwerk gigantischer Datenspeicher, die durch Breitband-Leitungen miteinander verbunden sind (Particle Physics Grid). Astroteilchenphysik Erste Hinweise auf Phänomene jenseits der Standardmodells der Physik kommen interessanterweise weniger aus der Teilchenphysik selbst, als vielmehr aus der Astroteilchenphysik. In der kosmischen Strahlung werden Teilchenenergien von über 1020 Elektronenvolt beobachtet, die durch keinen auf der Erde gebauten Beschleuniger erreicht werden können. Damit eröffnen sich einerseits völlig neue experimentelle Möglichkeiten, andererseits sind diese Phänomene selbst nicht mehr mit dem Standardmodell erklärbar. Zudem haben neue Beobachtungen der Kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung ergeben, dass die uns bekannte Materie, die aus Protonen und Neutronen aufgebaut ist, nur in einer vernachlässigbaren Größe zur Masse des Universums beiträgt, das offensichtlich überwiegend aus Dunkler Materie besteht. Deshalb gewinnt die Astroteilchenphysik immer mehr an Bedeutung: so wird zum Beispiel heute bereits das “Hochenergiefensters” oberhalb von 10 GeV im Bereich der Gamma-Astronomie durch bodengebundene Cherenkov-Teleskope erschlossen. Grundfragen in der Astroteilchenphysik sind: • Nachweis von Gravitationswellen, • Entstehung und Zusammensetzung der Dunklen Materie, • Kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMBR), • Studium solarer Neutrinos/Neutrino-Astrophysik, • Gamma-Astronomie im Höchstenergie-Bereich, • Physik jenseits des Standardmodells im Weltall. Atom- und Molekülphysik Das Verständnis der zeitlichen Entwicklung von Systemen aus mehreren Quantenteilchen ist zu einer der zentralen Fragestellungen in vielen Bereichen der Physik, Chemie und Biologie geworden. Aus theoretischer Sicht dominiert in Atomen und Molekülen die elektromagnetische Wechselwirkung, die sehr genau beschrieben werden kann; der Schwerpunkt der theoretischen Arbeiten liegt daher auf die Entwicklung von Konzepten und Methoden zur Beschreibung von Vielteilchensystemen und deren Dynamik. Die Untersuchung dynamischer Mehrteilchenprozesse in Atomen, Molekülen und Clustern erfordert hohen experimentellen Aufwand, um bei Reaktionen oder Zerfallsprozessen den Bewegungszustand aller beteiligten Teilchen vollständig und detailliert zu erfassen. Das geschieht durch Fallen und Speicher für Atome, Moleküle und Cluster, kompakte Quellen für energetische Photonen und hochgeladene Ionen sowie orts- und zeitauflösende Detektoren für niederenergetische Teilchen. Quantenoptik In den letzten Jahren ist es gelungen, Experimente in Atomfallen und Resonatoren mit einzelnen Atomen durchzuführen, um Quantenphänomene bei der Wechselwirkung von Atomen mit elektromagnetischer Strahlung zu studieren. Das Studium einzelner eingefangener geladener Ionen erlaubt neben der Untersuchung der Quantenprozesse auch extreme Präzision in der Spektroskopie, da sich ein einzelnes gespeichertes Ion ohne Störung von außen untersuchen lässt. Weitere Experimente könnten in der Zukunft langsame Änderungen der Naturkonstanten als Funktion der Zeit aufdecken oder winzige Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie aufspüren, die der Theorie zufolge im Urknall für die Entstehung des Universums verantwortlich waren. Zudem ist es gelungen, mit Hilfe von Laserlicht Atome so stark abzukühlen, dass sich die Wellenpakete benachbarter Atome berühren und viele Atome in einem gleichen Quantenzustand kondensieren. Sie verlieren ihre Identität und ein neuer Zustand der Materie, das Bose-Einstein-Kondensat entsteht, aus dem sich beispielsweise Atomstrahlen herstellen lassen. Diese Materiewellen eröffnen ungeahnte Perspektiven für neue Technologien und Anwendungen. Plasmaphysik Im Kosmos liegt der weitaus größte Teil der “sichtbaren” Materie (ca. 99 %) als Plasma vor, das heißt als ionisiertes Gas aus Elektronen und Ionen. In diesen Plasmen spielen sich viele Prozesse ab, deren Kenntnis Einsichten in das grundlegende Verhalten der Materie eröffnet, aber auch für Anwendungen interessant ist. Kosmische Plasmen treten zum Beispiel in Magnetosphären, dem Sonnenwind oder im interstellaren und intergalaktischen Medium auf. Das Nordlicht ist eines ihrer eindrucksvollsten Erscheinungsformen. In diesen Plasmen sind die Teilchen so dünn verteilt, dass sie praktisch nicht mit einander stoßen. Dennoch bestehen effektive Wechselwirkungen zwischen ihnen, die vor allem vom Magnetfeld und einem reichen Spektrum von Plasmawellen hergestellt werden. Besonderes Interesse gilt der Klärung von Prozessen, die sich überall im Kosmos abspielen, wie zum Beispiel der magnetischem Rekonnexion, der Thermalisierung und Beschleunigung hochenergetischer Teilchen in Stoßwellen, der dem Polarlicht zugrunde liegenden feldparallelen Potentialgefälle und der vielfältigen Energieumsetzungsprozesse, die auf der Sonne unter anderem die Heizung der Korona und die Beschleunigung des Sonnenwindes bewirken. Im Labor kann man Plasmen auch aus kolloidalen Mikroteilchen herstellen, die als komplexe Plasmen bezeichnet werden, weil sie Ionen, Elektronen, Neutralgas und geladene Kolloidpartikel enthalten, und die zu flüssigen und kristallinen Phasen (Plasmakristallen) kristallieren können. In der Kernfusionsforschung hat die Plasmaphysik das Ziel, aus der Fusion von Wasserstoffkernen zu Helium Energie zu erzeugen. Dieser Prozess läuft seit Millionen von Jahren in unserer Sonne und in den Sternen ab, seine Realisierung auf der Erde ist jedoch schwierig. Denn bei dem weltweit sehr erfolgreich verfolgten Konzept des magnetischen Einschlusses extrem heißer Plasmen bei Temperaturen im Bereich von 100 bis 200 Millionen K treten Probleme auf, die technisch noch nicht beherrscht werden. In den heißen Plasmen können Instabilitäten auftreten, die zu einer Abkühlung oder gar zur Selbstzerstörung des Plasmas führen können. Im Vergleich zu gegenwärtigen Kernreaktoren, die auf der Spaltung schwerer Kerne beruhen, weist die Fusion leichter Atomkerne große Vorteile auf wegen der wesentlich kürzeren Abklingzeit der radioaktiven Abfälle und anderer Sicherheitsaspekte. Daher wird die Fusion als Option für die zukünftige Energieversorgung entwickelt.
|
|
| Dimensionen: 10-15 (femto) 1 Billiardstel 10-12 (pico) 1 Billionstel 10-9 (nano) 1 Milliardstel 10-3 (mikro) 1 Tausendstel 1 103 (Kilo) Tausend 106 (Mega) Million 109 (Giga) Milliarde 1012 (Tera) Billion 1015 (Peta) Billiarde Eindruckvoll reiht sich Null an Null, wenn man
die Grösse eines Quarks aufschreib: Quark (kleiner als ein Atommeter) weniger als: |
 Foto: Desy, Hamburg Computeranimation: Kollison eines Elektrons mit einem Positron |
| Verglichen mit dem Atom ist der Kern unglaublich klein. Doch selbst die im Kern enthaltenen Protonen und Neutronen sind noch nicht die kleinsten Teilchen. Sie sind aus mindestens tausendmal kleineren Bausteinen aufgebaut - den Quarks -. | |
| Leichtes Licht Die Obergrenze für die Masse des Lichts konnte heruntergesetzt werden: Nach neuesten Befunden beträgt sie weniger als: 0, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 001 Gramm (10-51g) |
 Kurz und knapp |
Gibt
es viele Welten, Mysteriös: dunkle Materie Astronomischen Untersuchungen zufolge besteht ein Grossteil der Masse im Universum aus so genannter dunkler Materie. Sie ist unsichtbar und ganz anders beschaffen als die Materie, aus der Sterne, Planeten und Menschen gemacht sind. Niemand weiss, woraus diese dunkle Materie besteht - supersymmetrische Teilchen könnten eine Erklärung bieten. Dunkle Materie und die Großraumstruktur
Eine Reihe von Experimenten versucht zwar, dunkle Materie direkt zu detektieren, doch bislang gelang es nicht, eines dieser Teilchen, bei denen es sich etwa um Axionen oder um das leichteste supersym- metrische Teilchen handeln könnte, eindeutig aufzuspüren.
|
Sie halten die Welt zusammen: Die vier elementaren Kräfte werden durch Austauschteilchen übertragen, die für jede Kraftart spezifisch sind: die elektromagnetische Kraft durch die als Lichtteilchen bekannten Photonen; die zwischen den Quarks wirkende Kraft durch die Gluonen; die schwache Kraft durch das neutrale Z-Teilchen sowie das negativ und das positiv geladene W-Teilchen; die Gravitation durch das masselose, allerdings noch nicht beobachtete Graviton. Up-Quark, Down-Quark und Elektron. Die anderen Quarksorten können nur im Labor unter extremen Bedingungen erzeugt werden.
Die Bausteine der Materie: Heute kennt man insgesamt 12 Materieteilchen und zwar: 6 Quarks und 6 Leptonen. Zu jedem dieser Teilchen existiert wiederum ein Antiteilchen. Atome bestehen aus Elektronen sowie aus zwei Sorten von Quarks (Up-Quark und Down- Quark), die die Atomkerne bilden. Die Massen sind hier über die Einsteinsche Formel E =m ·c2 in Energieeinheiten (Elektronenvolt) angegeben. |
 |
Die Entwicklung des Universums vom Urknall bis zur heutigen Zeit. Die Teilchenphysik erforscht die Naturgesetze. |
| Seit Mitte des 20. Jahrhunderts hat die Teilchenphysik grundlegende Gesetzmäßigkeiten im Mikrokosmos systematisch entschlüsselt: Es ist ihr gelungen, die Strukturen der uns bekannten Materie aufzudecken und ihre komplexen Wechselwirkungen auf eine kleine Zahl fundamentaler Kräfte zwischen den Teilchen zurückzuführen. Der heutige Kenntnisstand wird im Standardmodell der Teilchenphysik zusammengefasst. Das Modell umfasst drei Familien von Leptonen und Quarks sowie die elektrische, die schwache und die starke Wechselwirkung. Es ist im Rahmen der von Max Planck, Werner Heisenberg und anderen theoretischen Physikern entwickelten Quantentheorie definiert. Zusammen mit der von Albert Einstein formulierten Allgemeinen Relativitätstheorie beschreibt es die fundamentalen Teilchen und ihre Wechselwirkungen korrekt in einem Bereich, der sich von kosmischen Ausdehnungen bis hinunter zu Abständen um 10 -19 Meter (m) erstreckt – bestätigt in vielen Messungen mit einer experimentellen Genauigkeit im Promillebereich und besser. Das Standardmodell bringt tief in der Natur verankerte Symmetriestrukturen zum Ausdruck und offenbart die Ästhetik der Naturgesetze des Mikrokosmos. Über den empirischen Erfolg hinaus ist es darum als Theorie der Elementarteilchen auch aus erkenntnistheoretischen Gründen äußerst attraktiv. Es weist in seiner Beschreibung der fundamentalen Wechselwirkungen einen hohen Grad an mathematischer Geschlossenheit und Einheitlichkeit auf. |
| Woraus
besteht die Welt? Wie hat alles angefangen? Wie wird es enden? Mit diesen Fragen
beschäftigen sich die Kern- und die Teilchenpysiker. Ihre Forschungen im 20.Jahrhundert
haben gezeigt, dass die Vielfalt der Erscheinungsformen der Natur letztlich zurückgeht
auf eine kleine Zahl fundamentaler Materie-Bausteine und auf die Wirkungen weniger
elementarer Kräfte zwischen ihnen. Die Teilchenphysiker untersuchen die Eigenschaften und Wechselwirkungen der feinsten Strukturen der Materie – der Elementarteilchen. Mit Experimenten bei sehr hohen Teilchenenergien stellen sie Bedin- gungen her, wie sie im ganz jungen Universum unmittelbar nach dem Urknall herrschten. Hier ergänzen sich die Forschungsziele der Teilchenphysiker mit denen der Kosmologen und Astrophysiker. Partikel,die die Erde von der Sonne oder aus fernen Winkeln des Universums erreichen, lassen sich mit Hilfe von teilchenphysikalischen Apparaturen aufspüren und untersuchen.
Die Hadronen- und Kernphysiker untersuchen aus Elementarteilchen zusammengesetzte Systeme, die Atomkerne. Im Vordergrund der Forschung standen früher vor allem die stabilen Kerne, aus denen die uns umgebende Materie und wir selber bestehen. In jüngster Zeit beschäftigen sich die Wissenschaftler dieses Forschungszweiges vor allem mit instabilen Kernen, die schnell zerfallen. Sie spielen bei der Entstehung der Elemente, wie wir sie heute vorfinden, eine entscheidende Rolle. Zudem erschaffen die Forscher neue Elemente, die in der Natur nicht vorkommen. Die Hadronenphysiker beschäftigen sich mit Systemen, die aus Quarks zusammengesetzt sind und durch Mittlerteilchen, die sogenannten Gluonen, zusammengehalten werden. Beste Beispiele dafür sind das Proton, das Neutron sowie das aus Quarks und Gluonen bestehende Quark-Gluon-Plasma, die kosmische Ursuppe der Welt. Kern- und Teilchenphysik sind Grundlagenforschung. |
|
 (Grafik:CERN) |
Bei der frontalen Kollision
von zwei Bleikernen entsteht für Sekundenbruchteile das Quark-Gluon-Plasma. Die Potonen
und Neutronen der Kerne „platzen auf " und die freien Quarks und Gluonen (bunte
Kügelchen) verbinden sich zur „kosmischen Ursuppe
". Quark-Gluon-Plasma Kurz nach dem Urknall vor rund 15 Milliarden Jahren befand sich der Kosmos im Ausnahmezustand: Ehatte die Größe des Sonnensystems und war gefüllt mit subatomaren Elementarteilchen,mit Quarks und Gluonen. Diese als Quark-Gluon-Plasma bezeichnete kosmische Ursuppe war millionenfach heißer als das Sonneninnere und 20 Mal dichter als ein gewöhnlicher Atomkern. Die Physiker gehen davon aus,dass der Kosmos bereits einige Milliardstel Sekunden nach dem Urknall von dem Plasma dominiert wurde. Nach etwa zehn Mikrosekunden fanden sich die freien Quarks dann zu größeren Patikeln zusammen, insbesondere den Kern- bausteinen Proton und Neutron.
|
| In einer kleinen Asymmetrie
des Universums sehen Physiker den Schlüssel
zu unserer Existenz Sie ist überall. Die ganze Welt besteht aus Materie. Allein der Körper eines Menschen enthält viele Milliarden Teilchen. Es gibt da nur ein Problem: Eigentlich dürfte all diese Materie überhaupt nicht existieren. Denn den Theorien der Kosmologen zufolge entstand beim Urknall zu jedem Materieteilchen auch das Gegenstück, ein Antimaterie-Teilchen.Solche Zwillinge haben genau entgegengesetzte Ladung und ähneln einander wie Bild und Spiegelbild. Berühren sie sich, zuckt ein Energieblitz auf und beide Partner zerstieben zu Strahlung. Dicht zusammengedrängt in der kosmischen Ursuppe hätten sich die Zwillingspartikel also eine heftige Vernichtungs- schlachtliefern müssen, bis kein Rest mehr von ihnen übrig geblieben wäre. Überdauert hätte ein Universum voller Licht , ohne Sterne, Planeten und ohne den Menschen. Weil dieses Szenario natürlich nicht richtig sein kann, muss sich in den ersten Sekundenbruch- teilen nach dem Urknall ein kleiner Materieüberschuss gebildet haben.Während die Antimaterie ausstarb,überlebte jenes überzählige Milliardstel der Materie das Inferno und verdichtete sich später zu den Gestirnen. Wie das Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie zu Stande kam, weiss bislang niemand genau. Die Physiker haben aber eine Vermutung,wo sie nach der Lösung des Rätsels suchen müssen. Bis Mitte des 20.Jahrhunderts herrschte im Reich der Physik vollkommene Symmetrie. Man nahm unter anderem an, dass sich fundamentale physika- lische Prozesse nicht verändern, wenn sie spiegelverkehrt betrachtet werden und gleichzeitig alle |
 Mit dem „Crystal-Ball "-Detektor der GSI untersuchen die Wissenschaftler besonders neutronenhaltige Kerne. (Foto:GSI)
|
Materie durch Antimaterie ersetzt
wird – die CP-Symmetrie bleibt erhalten,
wie Fachleute sagen. Zwei amerikanische Forscher, James Cronin und Val Fitch, entdeckten jedoch 1964, dass eine bestimmte Sorte kurzlebiger Teilchen, sogenannte K 0-Mesonen, die Spielregeln der CP-Symmetrie missachten: Diese Teilchen und ihre Antibrü der zerfallen manchmal auf etwas unterschiedliche Weise;und zwar so, dass ein klein wenig mehr Materie als Antimaterie entsteht –für Kosmologen und Teilchen-physiker ein deutlicher Fingerzeig:Ähnliche Mechanismen könnten auch bei Zerfallsprozessen der ersten Partikel kurz nach dem Urknall für den notwendigen Materie- überschuss gesorgt haben. „Superschwere Atome ", wie die
Neuschöpfungen in der Fachsprache heißen, enthalten außer einer großen Zahl elek-
trisch ungeladener Neutronen in ihrem Kern mehr als hundert |
 Eine supraleitende Beschleunigungsstruktur aus Niob, ein so genannter Resonator, wie er in den geplanten TESLA-Linearbeschleunigern zum Einsatz kommen soll  In den supraleitenden Niob-Resonatoren schwingen elektromagnetische Felder,die die Elektronen beschleunigen. (Grafik:DESY) |
Linear Collider Bisher arbeiten die Forscher überwiegend mit kreisförmigen Beschleunigern – den Speicherringen.In ihnen laufen Teilchenpakete etwa aus Elektronen über Stunden im Kreis und werden immer wieder für Kollisionen genutzt. Aber: Die Elektronen geben so genannte Synchrotronstrahlung ab und verlieren Energie. Bislang ließ sich diese Klippe mit immer grösseren Kreisbeschleunigern umschiffen, etwa dem 27 km umfassenden LEP am CERN. Noch grössere Ringe sind jedoch zu teuer. Deshalb wollen die Experten bei TESLA die Elektronen geradeaus schicken und so die unliebsamen Strahlungsverluste vermeiden. Dabei müssen die Teilchenpakete sehr kräftig beschleunigt und gebündelt, sowie äusserst preziese geführt werden, da sie ihre Rennstrecke nur ein einziges Mal durchlaufen. Der Higgs-Mechanismus erklärt, wie Teilchen wie Quarks zu ihrer Masse kommen. Stimmt diese Theorie,so muss es ein neues, bislang unentdecktes Partikel geben –das Higgs-Teilchen. TESLA soll dieses Teilchen erzeugen und im Detail untersuchen.
Supersymmetrie (SUSY): eine Theorie, die über das Standardmodell hinausgeht.In Kurzform besagt SUSY,dass jedes der heute bekannten Materieteilchen einen noch unbekannten Partner aus dem Reich der Kräfteteilchen haben muss –und umgekehrt. Damit wäre SUSY die fehlende Verbindung zwischen Materie und Kraft – ein Meilenstein auf dem Weg zu einer einheitlichen Physik -. |
| Wie funktioniert eigentlich ein
Teilchenbeschleuniger? Der einfachste
Teilchenbeschleuniger ist ein Fernseher. Dort werden die Elektronen,die das Fernsehbild
auf die Mattscheibe schreiben,durch ein elektrisches Feld beschleunigt. Ein elektrisches
Feld herrscht zum Beispiel zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Metallplatten. Setzt
man ein negativ geladenes Elektron zwischen die Platten, wird es von
der positiv geladenen Platte angezogen und von der negativen abgestoßen. Will man ein
Elektron auf höhere Energien bringen, bohrt man einfach Löcher in die Metallplatten und
schaltet mehrere solcher |
Beschleunigungsstrecken
hintereinander. Damit das Ganze funktioniert, muss man jetzt die Platten mit Hilfe einer
Wechselspannung umpolen,sobald das Elektron in die nächste Beschleunigungsstrecke fliegt.
 Eine Methode, Teilchen zu beschleunigen, ohne lange Linearbeschleuniger zu bauen, ist der Ringbeschleuniger. |
| Hier werden die geladenen Teilchen durch
Magnete auf eine Kreisbahn gezwungen. Auch im Fernseher, dem Minibeschleuniger zu Hause,
sind Magnete eingebaut. Sie lenken dort den Elektronenstrahl Zeile für Zeile über die
Mattscheibe. Die Teilchen durchlaufen die Beschleunigungsstrecke im Ring viele Tausend mal, bevor sie ihre
Sollgeschwindigkeit erreicht haben. Ein Nachteil des Ringbeschleunigers ist, dass
elektrisch geladene Teilchen,die sich im Kreis bewegen, Strahlung abgeben (die sogenannte
"Synchrotronstrahlung
") und dadurch Energie verlieren. Auch zum bloßen Speichern eines
Teilchenstrahls im Ring muss man also immer wieder etwas beschleunigen. Die schnellen, elektrisch geladenen Teilchen schießen die Forscher dann entweder auf ein festes Ziel oder sie lassen zwei Teilchenstrahlen aufeinander prallen. In den meisten Fällen wird dabei Materie in Energie umgewandelt – ein kleiner Energieblitz entsteht. |
 Bild: Desy |
| Aus diesem können sich dann innerhalb von Sekundenbruchteilen neue, exotische Partikel bilden, die die Forscher interessieren. Für beide Umwandlungen ist die Einsteinsche Formel zuständig,die die Äquivalenz von Energie E und Masse m beschreibt: E =m · c2 (mit =Lichtgeschwindigkeit). Die entstandenen Partikel,die nach allen Seiten wegfliegen, werden in großen Detektoren registriert, die die Physiker um die Kollisionsstelle herum gebaut haben. Verwenden die Forscher niedrigere Energien, wirken die beschleunigten Teilchen wie Lichtstrahlen, die in einem Mikroskop auf das zu untersuchende Objekt prallen, ohne es zu zerstören. Die von diesem Objekt gestreuten Teilchen werden dann ebenfalls in Detektoren analysiert. |
|
|
Neutronen für die
Strukturanalyse Auch Neutronen sind begehrte Detektive, ähnlich wie Röntgenstrahlen helfen sie der Festkörper- wissenschaft,Materialstrukturen aufzuklären. Neutronen kommen in den meisten Atomkernen vor, als Quelle freier Neutronen dienen im Allgemeinen besondere Forschungsreaktoren. Wie alle sub-mikroskopischen Partikel zeigen auch Neutronen eine Anfälligkeit zur "Persönlichkeitsspaltung ":Sie haben sowohl Teilchen - als auch Welleneigen - schaften. Wobei die Wellenlängen im Bereich atomarer Distanzen liegen. Wähend Röntgenwellen besonders empfindlich auf die Elektronenhüllen der Atome eagieren, sind die ungeladenen Neutronen subtiler, sie erfühlen Eigenschaften der Atomkerne.So sind die stabilen Isotope des Wasserstoffs – Hydrogenium und Deuterium – zwar chemisch identisch für Neutronen aber sehr unterschiedlich. Dies lässt sich ausnutzen, um die genaue Gestalt eines geknäuelten Polymermoleküls in einer Schmelze aus gleichen Polymermolekülen zu bestimmen.Zunächst erscheint dies so aussichtslos wie der Versuch, den Weg einer Nudel in einer Por- tion Spaghetti zu verfolgen. Durch Beimischung einiger mit Deuterium markierter Moleküle wird dies mit Neutronen aber leicht möglich.Messbar sind auch Kräfte zwischen Atomen sowie elastische Eigenschaften molekularer Gebilde. Neutronen sind außerdem kleine Magnetsonden:Sie spüren den Magnetismus auf atomarer Skala und erlauben einzigartige Einblicke in die mikroskopischen Eigenschaften magnetischer Materialien. Neben der Analyse mit Röntgen- oder Neutronenwellen ist mittlerweile eine Vielzahl weiterer "Spektroskopie-Methoden "entwickelt worden, wie etwa die Elektronen- oder Heliumbeugung. All diese Verfahren ergänzen sich gegenseitig bei der Aufklärung der atomaren Struktur und der Dynamik der Dinge, die uns umgeben. |
Literatur:
DLR "Nachrichten"
Helmholtz Gemeinschaft (Jahresheft 2005)
BMBF "Mikrosysteme"
BMBF "Raumfahrt in Deutschland"
BMBF "Schritte in die Zukunft"
BMBF "Science live"
Forschungszentrum Karlsruhe "Grid-Computing"
Forschungszentrum Karlsruhe "Mit leichter Hand"
Forschungszentrum Jülich "Jahresbericht 2003"
GSF "Vom Schlüssel zur Funktion"
Humboldt "Kosmos Magazin"
Leibniz-Gemeinschaft - Jahrbuch 2003
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie (Karl-Friedrich-Bonhoeffer-Institut)
Göttingen
Max-Planck-Gesellschaft "Forschungsperspektiven 2005"
|
EVOLUTION Homo sapiens ein Chaot oder doch lernfähig?
Der Kosmos
VULKANE
Infos über
Ganztagsschulen |
 |
Diagnose: KREBS bei Kindern |
 |
Drogen sind
verlogen denn ohne Ziel gibt es keinen Weg |
 |
Alles Nano oder was? Aktuelles aus der Forschung |
|
Vom Affen
Die Brückenbauer -
Forschung Die Natur als Ingenieur (Bionik) |
 |
DER QUERDENKER Albert Einstein |
 |
 |
 |
 |
|
 |
eine modernen Alchemistenküche. (Fotos:GSI)
