Leistungskurs Physik auf der Suche nach HIGGS - Teilchen

Die Schüler des Leistungskurses Physik (Lindenthal)  waren im Rahmen einer Masterclass auf der Suche nach den kleinsten Teilchen.

Herr Kuger vom Lehrstuhl „Didaktik und Elementarteilchen“ der Universität Würzburg fesselte von Anfang an die 23 Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufe 11. Die allesumfassende Frage, die sich Teilchenphysiker stellen, ist: „Aus was besteht Materie?“ Diese Frage, so führte Herr Kuger aus, stellte sich schon Demokrit vor mehr als 2000 Jahren. Immer wieder gelang es dem Referenten, die Schülerinnen und Schüler mit sehr anschaulichen Vergleichen zu beeindrucken. Dabei konnten sich die Schüler auch immer wieder aktiv am Vortrag beteiligen. Zum Beispiel sollten sie Dinge wie, Mensch, Proton, Neutron Elektron, Atom Kirsche, Zelle, Fußballstadion … in eine Größentabelle einordnen. Heraus kam, dass die Materie zum größten Teil aus „Nichts“ besteht. „ Aber warum tut man sich dann weh, wenn man mit dem Kopf gegen eine Mauer stößt?“, so der Referent. Grund sei, die starke und die schwache Wechselwirkung  zwischen den Teilchen.

„Bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts war die Welt noch in Ordnung“, erzählte der Experte den Teilnehmern. Alles schien mit den damaligen Theorien erklärbar, bis dann im Jahre 1933 das sogenannte Myon entdeckt wurde. Es folgte in den darauffolgenden Jahren eine wahre Flut von Entdeckungen von kleinsten Teilchen, ja sogar das Proton sollte nun auch aus mehreren Teilchen bestehen. Seit dieser Zeit forschen die Physiker mit den größten Maschinen (CERN), die die Menschheit je gebaut hat nach den allerkleinsten Teilchen. Diese riesigen Maschinen liegen 100 m unter der Erde und haben einen Durchmesser von ca. 8 km! Innerhalb dieser Maschinen ist es so leer und so kalt, wie sonst Nirgendwo – außer in der Weite des Universums.

Im weiteren Verlauf des Vortrags teilte Herr Kuger jedem Schüler ein Kärtchen aus, auf dem jeweils ein Elementarteilchen mit seinen physikalischen Eigenschaften abgebildet war, mit dem Auftrag, dass sich die Schüler so in 6 Gruppen zusammenschließen sollten, dass sie mit ihren Kärtchen „physikalisch“ möglichst gut zusammenpassten.

Bei all seinen Ausführungen gelang es Herrn Kuger, ohne tiefe mathematische Formalismen auszukommen. Wesentlichen Anteil daran hatten die sogenannten Feynman-Diagramme, die in erstaunlicher Einfachheit alle Wechselwirkungen zwischen den Elementarteilchen darstellen können.

Das Problem, das sich den Physikern stellt, wenn sie Teilchen beobachten wollen ist, dass diese Teilchen nur sehr, sehr kurz „leben“. Einige, wie etwa das erst im letzten Jahr nachgewiesene HIGGS-Teilchen, nur 10^-22 s. Wenn diese sich dann mit der größten Geschwindigkeit bewegen – also mit Lichtgeschwindigkeit c=3·10⁸  m/s , so legen sie dabei nur einen Weg von 3·10^-14 m zurück, das ist also weniger als die Größe eines Elektrons. So genau wird man nie „hinschauen“ können, weil andere physikalische Gründe, wie die Heisenbergsche Unschärferelation, dagegensprechen.

Der Trick ist, dass man die Teilchen an ihren Folgeprodukten erkennen kann – oder zumindest mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit sagen kann, dass zu gewissen Folgeprodukten, ganz bestimmte Elementarteilchen gehören.

Nach dieser Theorieeinheit und einer Mittagspause, durften die Leistungskursschüler nun selbst zu Forschern werden und mit Hilfe von „echten“ Daten, die am Forschungsinstitut in Genf gesammelt wurden, die kleinsten Teilchen aufspüren. Schnell und durchschaubar erklärte Herr Kuger die Software und dann gings los. Nach einer kurzen Eingewöhnungsphase schafften es die Schülerinnen und Schüler recht zügig, die für den Nachweis relevanten Teilchen von den unwichtigen zu trennen, die den sogenannten Untergrund ausmachten.

Immer wieder wies Herr Kuger auf das typisch physikalische Vorgehen hin: Am Anfang steht eine Idee oder wie die Physiker sagen „ein Modell“ bzw. „eine Theorie“. Damit werden Vorhersagen gemacht, die dann in Experimenten überprüft (verifiziert bzw. falsifiziert) werden müssen.

In unserm Experiment war die Vorhersage der theoretischen Physiker, dass die Anzahl der W+ Bosonen doppelt so hoch sein müsste, wie die Anzahl der W- Bosonen. Das Ergebnis wich jedoch von der Vorhersage ab, sodass das Modell, das wir vom Aufbau des Protons machten – nämlich, dass es aus zwei up-Quarks und einem down-Quark bestehe – nicht so stimmte. Das Modell muss erweitert werden. Das experimentelle Ergebnis lag bei einem Verhältnis von 1,5 zu 1. Unter Zeitdruck erklärte uns Herr Kuger weiter, dass die Gluonen, die sogenannten Kommunikationsteilchen, aufgrund ihrer kinetischen Energie den verbleibenden Massendefekt zu verantworten haben.

Ein langanhaltender Beifall stellte das Ende der Masterclass dar. Dieser Tag war für alle Teilnehmerinnen und Teilnehmer ein echter Gewinn – eine Möglichkeit hinter die Kulissen der Arbeit der Physiker zu schauen und dabei noch zu verstehen, was die Welt im Innersten zusammenhält.