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

Photonen. Sie werden durch das » γ « in Abbildung 3 repräsentiert.
    Die elektromagnetische Kraft wirkt nur zwischen Teilchen mit einer elektrischen Ladung. Damit wirkt sie zum Beispiel zwischen allen Quarks, aber nicht immer zwischen ihren Kompositionen, den Hadronen. Zwischen Protonen und Neutronen gibt es beispielsweise keine elektromagnetischen Kräfte. Neutrinos springen ebenfalls nicht auf Photonen an. Wie in der Geschichte mit Newtons Apfel beschrieben, sind elektromagnetische Kräfte so stark, dass man sich darüber wundern muss, warum nicht alle Atomkerne mit mehr als einem Proton im Kern auf der Stelle explodieren. Der Mechanismus, der eben das verhindert und somit die Welt im Innersten zusammenhält, ist die besagte starke Kernkraft.

    Abbildung 7: Nikola Teslas Labor in Colorado Springs, Dezember 1899. An Tesla-Transformatoren liegt eine solch hohe Spannung an, dass die umgebende Luft ionisiert wird und elektrische Entladungen, vergleichbar mit Blitzen, auftreten.
    © AKG Images, Berlin
    Die starke Kernkraft
    Wie der Name schon besagt, ist die Reichweite dieser Kraft auf Abstände der Größenordnung eines Atomkerns beschränkt (also 10 –15 m). Dafür ist dieser Mechanismus jedoch dermaßen mächtig, dass er alle anderen Kräfte in den Schatten stellt. Das dazugehörige vermittelnde Teilchen ist das Gluon (mit »g« in Abbildung 3 bezeichnet). Die starke Kraft wirkt nur zwischen Objekten, die eine Farbladung besitzen. Somit kommt sie zwischen allen Quarks und sämtlichen Teilchen, die sich aus ihnen zusammensetzen, zum Zug. Es gibt jedoch eine Bedingung: Die Objekte müssen sich einander stark genug nähern, damit die starke Kraft »zuschnappt«.

    Abbildung 8: Atomkern. Protonen und Neutronen liegen dicht nebeneinander im Atomkern. Zusammengehalten werden sie durch das starke Bindungsvermögen der Gluonen, die permanent zwischen ihnen ausgetauscht werden.
    © Encyclopaedia Britannica/UIG/Science & Society Picture
    Die schwache Kernkraft
    Mit dieser Kraft werden unter anderem radioaktive Zerfälle erklärt. Sie wirkt ebenfalls nur zwischen Objekten, die sich sehr nahe kommen. Die Austauschteilchen der schwachen Kraft sind das Z 0 -Teilchen (wobei die hochgestellte 0 dafür steht, dass dieses Objekt keine elektrische Ladung trägt) und das positiv oder negativ geladene W-Teilchen. Das soll uns an dieser Stelle genügen. Abbildung 9 illustriert einen möglichen Prozess, bei dem radioaktive Substanzen über die schwache Kernkraft Strahlung freisetzen.

    Abbildung 9: Beta-Zerfall
    © Georg-August-Universität Göttingen, LP E-Learning, http://lp.uni-goettingen.de/get/text/4433
    In diesem sogenannten Feynman-Diagramm ist der Prozess des Zerfalls eines Neutrons in ein Proton dargestellt. Die eingezeichnete Achse stellt den Zeitpfeil dar. Zu sehen sind die drei Quarks, aus denen das Neutron aufgebaut ist (ein Up- und zwei Down-Quarks). An einer Stelle strahlt ein Down-Quark ein W-Boson aus und verwandelt sich dabei in ein Up-Quark, welches nun mit den zwei anderen, unveränderten Quarks ein Proton bildet. Da das Proton positiv geladen ist, erfordert es das Prinzip der Erhaltung der Gesamtladung, dass das W-Boson negativ sein muss, damit man auf eine Gesamtbilanz von Null kommt. In einem weiteren Schritt zerfällt das W-Teilchen in ein Elektron und ein Antineutrino. Dies ist aufgrund weiterer Erhaltungsgrößen in der Natur notwendig (Erhaltung der elektronischen Leptonenzahl). Der Grund dafür, dass dieser Prozess nur über die schwache Wechselwirkung stattfinden kann, ist: Neutrinos tragen weder elektrische noch Farbladungen, weshalb dieser Vorgang nicht mit dem Austausch von Photonen oder Gluonen erklärt werden kann.
    Abschließend sei konstatiert, dass es einen Unterschied zwischen den Austauschteilchen der starken und elektromagnetischen Kraft auf der einen Seite und denjenigen der schwachen Kraft auf der anderen Seite gibt. Z 0 - und W-Teilchen besitzen eine Masse, während Photonen und Gluonen völlig masselos sind. Dieser Sachverhalt ist ein weiterer Hinweis darauf, dass ein Mechanismus existieren muss, der solche Unterschiede erklärt. Dies bringt uns dem Higgs-Teilchen wieder einen Schritt näher.
    Austauschteilchen
    Nun geht es ans Eingemachte: Was hat es mit diesen »Vermittlern« auf sich? Woher kommen sie? Und wie lassen sie zwei Teilchen von der Existenz des jeweils anderen wissen? Um die diesen Austauschteilchen zugrunde liegende Idee zu verstehen, stelle man sich folgende Szene vor: Bekommt