Die Entdeckung des Higgs-Teilchens: Oder wie das Universum seine Masse bekam (German Edition)

als auch schnelle Objekte, wodurch die klassische Mechanik in beide Richtungen (schnelle und kleine Objekte) erweitert werden muss. Das Resultat wird Quantenfeldtheorie genannt.
    Der Aufbau der Materie
    Die Welt um uns herum scheint aus einer schier unendlichen Menge verschiedener Stoffe zu bestehen. Man braucht nur einmal aufzuzählen, wie viele verschiedene Materialien man bei einem Blick aus dem Fenster sieht. Auf dieser Ebene soll unsere Reise zu den allerkleinsten Bestandteilen der Materie beginnen. Unsere Alltagswelt lässt sich gut mit einer Längenskala beschreiben, die von Kilometern bis zu Millimetern reicht, also von 1000 m = 10 3 m bis 0,001 m = 10 –3 m.
    Beginnt man die Stoffe unserer Welt in immer kleinere Brocken zu zerschlagen, so stellt man fest, dass die kleinsten von ihnen allesamt verschiedene Zusammensetzungen der immer selben Bausteine sind. Diese Bausteine, Atome genannt, werden im sogenannten Periodensystem der Elemente zusammengefasst.

    Abbildung 1: Periodensystem der Elemente
    © Generalic, Eni (»EniG. Periodensystem der Elemente«, 28 Sept. 2013, KTF-Split (Datum des Abrufs), http://www.periodni.com/de /)
    Bemerkenswerterweise wird also die unendliche Vielfalt unserer Alltagswelt auf die diversen Zusammensetzungen von 118 verschiedenen Atomen reduziert. Interessant dabei ist, dass nur ein Bruchteil dieser »Elemente« überhaupt in größeren Mengen auftritt. Für die Existenz von Leben können zum Beispiel Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff besonders hervorgehoben werden.
    Größenordnungsmäßig bewegen wir uns jetzt im Pikometerbereich, also bei 0,000000000001 m = 10 –12 m. Ein Sauerstoffatom hat zum Beispiel einen Radius von circa 60 Pikometern. Zum Vergleich sei erwähnt, dass auf der Mikrometerebene (10 –6 m) Bakterien und im Nanometerbereich (10 –9 m) DNA-Moleküle gefunden werden.
    Der Aufbau des Atoms
    Heute weiß man, dass all diese Elemente des Periodensystems auf einer kleineren Ebene aus lediglich drei Bausteinen bestehen: den positiv geladenen Protonen, den neutralen Neutronen und den negativen Elektronen. Die ersten beiden Teilchen verleihen den Atomen den Großteil ihrer Masse, während Letztere unter anderem für den Strom aus der Steckdose verantwortlich sind. Jedes Element des Periodensystems verfügt nun über eine unterschiedliche Anzahl dieser drei Bausteine, wobei Elektronen und Protonen bei elektrisch neutralen Atomen in gleicher Anzahl auftreten. Wasserstoff verfügt zum Beispiel über ein Proton als Kern und ein Elektron als Atomhülle. Es lassen sich folgende kurios klingende Aussagen machen: 99 Prozent der Masse eines Atoms befinden sich in seinem Kern, obwohl der Kern 1000 bis 10000 Mal kleiner ist als das gesamte Atom. Atomkerne haben Ausdehnungen im Femtometerbereich, das sind 0,000000000000001 m = 10 –15 m. Hätte ein Atom die Größe eines Fußballstadions, entspräche der Atomkern einem Kirschkern auf dem Anstoßpunkt. Es lässt sich also feststellen, dass Materie offensichtlich aus enorm viel leerem Raum besteht. Verschaffen wir uns im Folgenden einen Überblick über die bisher besprochenen Größenordnungen:
    10 +3 m
Städte
10 +0 m
Menschen
10 –3 m
Sandkörner
10 –6 m
Bakterien
10 –9 m
DNA-Moleküle
10 –12 m
Atome
10 –15 m
Atomkerne
    Tabelle 1: Größenordnungen bis Femtometer
    Ununterscheidbarkeit und Stofflosigkeit
    Trotz der atemberaubenden Vielfalt unserer Welt – kein Mensch gleicht dem anderen, kein Tag ist wie der andere, und streng genommen ist jeder einzelne Moment einmalig –, trotz dieser Einmaligkeit lässt sich auf der Ebene der kleinsten Teilchen eine vollkommene Ununterscheidbarkeit konstatieren. Alle Protonen im Universum sind perfekte Kopien voneinander. Das Gleiche gilt für alle anderen Elementarteilchen. Im Übrigen ist das ein großes Glück für die Wissenschaft. Denn so simpel hätte unser Universum gar nicht zu sein brauchen!
    Entgegen der Intuition vieler Menschen, dass ein Objekt, um zu existieren, aus einem Stoff bestehen muss, werden wir feststellen, dass der größte Teil der Welt absolut stofflos ist, also keine Masse besitzt. Die Assoziation von Massebehaftetheit mit der Existenz von Objekten entkoppelt sich also auf einer tieferen Ebene. Die Existenz von Masse ist demzufolge nichts Selbstverständliches. Die Antwort auf die Frage, was dafür verantwortlich ist, dass einige Objekte Masse besitzen und andere nicht, liegt eben in diesem Higgs-Mechanismus, um den es in diesem Buch geht. Mehr dazu