Woraus besteht die Welt?

Von: Michael Klemm

Am Donnerstag, den 26.3.2015 fuhren wir, die Schülerinnen und Schüler des Leistungskurses Physik (Q2/Herr Klemm) zur Physikfakultät der Universität Würzburg, um eine Antwort auf diese spannende Frage zu erhalten. Physiker aus Würzburg arbeiten an der „Weltmaschine“, dem LHC (Large Hadron Collider) beim Cern in Genf mit. Sie werten mit vielen anderen Wissenschaftlern aus der gesamten Welt die im ATLAS-Detektor (Abb. Atlas-Detektor) gewonnenen experimentellen Daten aus und hoffen damit der Antwort auf die Frage „Aus was besteht Materie?“ etwas näher zu kommen. Im Rahmen dieser Forschung wurde das Netzwerk teilchenwelt (www.teilchenwelt.de) gebildet, das es sich auch zur Aufgabe gemacht hat, Schülerinnen und Schülern in sogenannten Masterclasses, durch Nachwuchswissenschaftler/innen („Master“) Einblicke in die Welt der Astro-/Teilchenphysik zu geben. Die Schüler können dabei echte Daten aus der Forschung analysieren und die Ergebnisse diskutieren.

Die Nachwuchswissenschaftlerin, die uns hervorragend betreut hat, war Frau Verena Herget, die selbst im Jahr 2008 an der Winfriedschule den Physikleistungskurs besucht hat und jetzt im Rahmen ihrer Promotion an diesem großen Projekt mitarbeitet. Unterstützt wurde sie dabei von den Physikern Juliane Wiehl und Klaus Kister (ebenfalls Schüler des Physik-LKs der Winfriedschule 2008).

Der Tag wurde anstrengend, denn er begann natürlich mit etwas Theorie, die vor dem experimentellen Arbeiten nötig ist. Die Agenda sah zuerst einen Überblick in die Welt der kleinsten Teilchen vor; von denen hat man inzwischen sehr viele entdeckt. Schon in der Antike stellte sich Demokrit vor, dass die Materie aus kleinsten nicht teilbaren Teilchen (gr. Atomos – unteilbar) aufgebaut ist. Heutzutage stellen die Physiker diese Vorstellung mit dem sogenannten Standardmodell der Teilchenphysik dar, es beschreibt Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen. Sämtliche bekannten Vorgänge in der Natur können mit vier grundlegenden Wechselwirkungen beschrieben werden, dies sind die starke, die schwache sowie die elektromagnetische Wechselwirkung und die Gravitation, die ausschließlich für makroskopische Objekte relevant ist. Die Namen einiger Teilchen hat jeder schon einmal gehört, wie z. B. Proton, Neutron und Elektron. Aber dies ist nur die Spitze des Eisberges, selbst das Proton und das Neutron sind aus anderen Teilchen aufgebaut, den Quarks. Neben Quarks gibt es noch die Leptonen, zu denen auch das Elektron gehört. Die große Menge der bisher gefundenen Teilchen ist sehr symmetrisch aufgebaut. Entdeckt hat man diesen „Teilchenzoo“ (Abb. Teilchenzoo) im letzten Jahrhundert durch immer bessere und vor allem immer größere Experimente.

Und um noch genaueres zu erfahren, braucht man noch größere Maschinen, die Teilchen auf so große Energien bringen können, dass bei der Kollision dieser Teilchen Bedingungen herrschen, die denen des Urknalls sehr nahe kommen. So 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. 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, zumal 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. Die Erklärung der Funktionsweise dieser Teilchenbeschleuniger und Detektoren konnten wir aufgrund des vorherigen Physikunterrichts prinzipiell gut verstehen.

Nach der nun notwendigen Mittagspause durften wir 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 Frau Herget die Software (Abb. Software) und dann suchten wir. Unsere Forschungsfrage lautete: "Wie ist das Proton aufgebaut? Besteht es wirklich aus zwei up und einem down-Quark? Können wir das Higgs Boson finden?". Wir haben uns dann mit der Software auf die Suche nach Ereignissen mit einem Myon oder einem Elektron sowie mindestens einem Neutrino gemacht, denn diese Endprodukte sind typisch für die Events, die bei zwei Proton-Proton Kollisionen entstehen können. Als Ergebnis haben wir dann heraus bekommen, dass ein Proton nicht nur aus den drei Valenzquarks besteht, sondern aus vielen weiteren Quark-Antiquark-Paaren, den Seequarks, die für einen kurzen Moment aus den Gluonen bestehen, die das Proton ausmachen. Dass Higgs Boson haben wir leider nicht gefunden, dazu haben wir zu wenig Statistik gehabt.

Nach der Forschung folgte wieder Information. Fachkundig wurden wir über das Physikstudium allgemein und speziell in Würzburg informiert und wurden durch einige Labore der Fakultät geführt. Gegen 17.00 war die lange, anstrengende, informative und lehrreiche Exkursion beendet, wir erhielten sogar Teilnehmerurkunden und mit kräftigem Beifall verabschiedeten wir uns von unseren kompetenten Referenten. 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.

Vielen Dank noch einmal an Verena Herget, Juliane Wiehl und Klaus Kister von der Uni Würzburg.