Die Hintertreppe zum Quantensprung

kleines neutrales Teilchen hinzu, das Neutrino. Damit – mit der Vierzahl – glaubten sie, fertig zu sein. Doch die Natur tat ihnen den Gefallen nicht. Erst kam in den 1930er-Jahren als Gegenstück zum Elektron das Positron hinzu, danach entdeckten die Physiker Mesonen, die ihrer Masse nach zwischen den winzigen Elektronen und den größeren Protonen liegen, bald tauchten in den Experimenten exotisch wirkende Teilchen auf, die als Myonen und Kaonen bezeichnet werden und jeweils ihre charakteristischen Besonderheiten aufweisen, und irgendwann kam das Wort vom Elementarteilchenzoo auf, unter dessen zuletzt mehr als Hunderten von Mitgliedern es dringend Ordnung zu schaffen galt.
    Zahlreiche Physiker verfielen auf die Idee, eine Anleihe bei dem griechischen Philosophen Platon zu machen, der im antiken Athen den Vorschlag unterbreitet hatte, sich die materielle Welt als eine aus fünf einfachen Körpern gezimmerte vorzustellen. Diese Körper wären laut Platon auf verschiedene Weise anzuordnen und in ihren Kombinationen erzeugten sie die beobachtete Vielfalt. Nun stellte sich die Frage: Konnte man die vielen Elementarteilchen ebenso ordnen und nach Verwandtschaftsbeziehungen einteilen oder Entwicklungslinien zwischen ihnen ziehen? Konnte man sich elementare Urformen der Materie vorstellen, die in geeigneter Gruppierung das ganze Spektrum der nachgewiesenen Teilchen hervorzubringen in der Lage waren?
    Die Physiker suchen zu diesem Zweck nach Symmetrien, die mithilfe von besonderen mathematischen Strukturen (Gruppen) zu finden sind. Man hatte nun zu Beginn der 1960er-Jahre eine Gruppe gefunden, die nicht nur alle Teilchen, die durch einen regelmäßigen Aufbau entstanden waren, als Gebilde erkennen ließ, sondern die darüber hinaus noch die Existenz eines Elementarteilchens – mit dem zwar merkwürdigen, aber systematischen Namen »Omega Minus« – vorhersagte. Ebendieses Teilchen kannte man noch nicht, dafür aber entdeckte man es bald. Weil es genau mit den Eigenschaften ausgestattet war, die man aus der Theorie der Gruppen abgeleitet hatte, konnten die Forscher es gezielt suchen und zuletzt auch aufspüren.
    Mit diesem Triumph rückte eine große Frage in das Zentrum der Physik, nämlich die Frage, ob sich unter den nachgewiesenen Teilchen eine grundlegendere Schicht der Materie finden lässt, deren Elemente durch Kombination konkret die Rekonstruktion der bekannten Elementarteilchen ermöglicht. So wie man Schneeflocken durch die ihnen zugrunde liegenden Wassermoleküle und ihre physikalischchemischen Eigenschaften erklären kann, wollte man auch den Zoo der Elementarteilchen auf einige ihren Formen zugrunde liegende Bausteine zurückführen. Es waren Gell-Mann und Zweig, die 1964 das Bauprinzip entdeckten, das heute mit dem Begriff »Quarks« operiert – wobei sie von Anfang an eine riskante oder mutige Annahme machen mussten, die gemeinhin als verrückt gelten musste.
    Ausgangspunkt aller Überlegungen ist die Tatsache, dass die elektrische Ladung wie viele andere Eigenschaften der physikalischen Wirklichkeit Quantencharakter zeigt. Sie existiert nur als Vielfaches einer Elementarladung, die dem Elektron zukommt und die Robert Millikan entdeckt und ausgemessen hatte – also der Physiker, nach dem der Lehrstuhl benannt war, den Gell-Mann später besetzen sollte. Das heißt, man müsste eigentlich sagen, dass es Millikan war, der das Quantum der Ladung entdeckt hat, denn als Gell-Mann den Vorschlag machte, ein Proton aus Quarks aufzubauen, legte er seinen Kollegen die Existenz von Teilchen ans Herz, die nur ein oder zwei Drittel der Elementarladung tragen konnten. Da haben wir erneut das zugleich paradoxe und bewährte Hamlet-Prinzip der Physik – etwas ist Wahnsinn, aber es hat Methode. Und tatsächlich sind die Physiker heutzutage längst von der Existenz der Quarks und ihren Drittelladungen überzeugt, allerdings mit einem berühmten Twist: Quarks existieren nur im Verbund. Sie können nicht alleine (frei) umhereilen. Sie bleiben in den Teilchen eingesperrt, die aus ihnen bestehen. Dieses confi nement , wie es auf Englisch heißt, kann man sich veranschaulichen, wenn man annimmt, dass die Quarks durch eine Kraft zusammengehalten werden, die wie eine Kette wirkt, mit dem ein Hund an seine Hütte angebunden ist. Solange der Hund in ihrer Nähe bleibt, spürt er die Fessel kaum, die ihn bindet. Will er aber ausreißen, spannt die Kette an und hält ihn fest.
Die Vielfalt der Quarks
    Quarks sind offenbar