Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

diese Zusammenhänge.
    Darüber hinaus lehrte uns Einstein, dass Energie und Masse ineinander umgewandelt werden können. Wenn Teilchen zusammenprallen, kann sich deren Masse in Energie umwandeln. Bei höheren Energien kann also schwerere Materie produziert werden, da E = mc 2 . Diese Gleichung bedeutet, dass eine höhere Energie ( E ) die Erzeugung schwererer Teilchen (mit einer größeren Masse m ) gestattet. Und dass die Energie ökumenisch ist – d.h. die Fähigkeit besitzt, jeden Typ von Teilchen zu erzeugen, der kinematisch möglich ist (d.h. der leicht genug ist).
    Aufgrund dessen wissen wir, dass uns die höheren Energien, die wir gegenwärtig erforschen, zu kleineren Skalen führen, und die dabei erzeugten Teilchen sind unser Schlüssel zu einem Verständnis der grundlegenden Gesetze der Physik, die für diese Skalen gelten. Alle neuen Hochenergie-Teilchen und Wechselwirkungen, die bei kurzen Abständen auftreten, geben Hinweise für die Entschlüsselung dessen, was dem sogenannten Standardmodell der Elementarteilchenphysik zugrunde liegt, das unser gegenwärtiges Verständnis der elementarsten Bestandteile der Materie und ihrer Wechselwirkungen beschreibt. Wir werden nun einige entscheidende Entdeckungen des Standardmodells und die Methoden betrachten, die wir derzeit einsetzen, um unser Wissen etwas weiter auszubauen.
    Die Entdeckung von Elektronen und Quarks
    Jede der Stationen auf unserer anfänglichen Reise in das Atom – die Elektronen, die sich um den Kern bewegen, und die Quarks, die von Gluonen im Innern von Protonen und Neutronen zusammengehalten werden – wurden experimentell durch Forschungen entdeckt, bei denen schrittweise höhere Energien und somit kleinere Abstände untersucht wurden. Wir haben gesehen, dass die Elektronen in einem Atom an einen Kern gebunden sind, da sich ihre entgegengesetzten Ladungen gegenseitig anziehen. Durch die Anziehungskraft hat das gebundene System – das Atom – eine niedrigere Energie als wenn man die geladenen Bestandteile isoliert betrachtet. Um also Elektronen zu isolieren und zu untersuchen, musste man genügend Energie aufbringen, um sie zu ionisieren, d.h., um die Elektronen freizusetzen, indem man sie aus dem Atom herausriss. Sobald sie isoliert waren, konnten Physiker durch die Untersuchung ihrer Eigenschaften, wie z.B. Ladung und Masse, mehr über die Elektronen erfahren.
    Die Entdeckung des Kerns, des anderen Teils des Atoms, war noch überraschender. In einem Experiment, das analog zu heutigen Teilchenexperimenten ist, entdeckten Ernest Rutherford und seine Studenten den Kern, indem sie Heliumkerne (die damals Alpha-Teilchen genannt wurden, da Kerne noch nicht entdeckt waren) auf eine dünne Goldfolie schossen. Es zeigte sich, dass die Alpha-Teilchen genügend Energie besaßen, damit Rutherford die Struktur des Kerns bestimmen konnte. Er und seine Kollegen stellten fest, dass die Alpha-Teilchen, die sie auf die Folie schossen, manchmal in viel größeren Winkeln gestreut wurden, als sie vorhergesagt hatten (siehe Abbildung 20). Sie erwarteten Streuungen wie jene von Seidenpapier und entdeckten stattdessen solche, die eher so aussahen, als ob sie im Innern von Murmeln abprallen würden. In Rutherfords eigenen Worten:

Abb. 20: Rutherfords Experiment streute Alpha-Teilchen (von denen wir jetzt wissen, dass es Heliumkerne sind), an einer Goldfolie. Die unerwartet großen Ablenkungen mancher Alpha-Teilchen demonstrierte die Existenz konzentrierter Massen im Zentrum der Atome – Atomkerne.
    »Das war das ungeheuerlichste Ereignis, das mir in meinem Leben passiert ist. Es war fast so ungeheuerlich, als feuerte man eine 40-Zentimeter-Granate auf ein Blatt Papier, und sie käme zurück und träfe einen. Als ich darüber nachdachte, wurde mir klar, dass dieses Abprallen das Ergebnis einer einzigen Kollision sein mußte, und als ich Berechnungen anstellte, sah ich, daß es unmöglich war, irgend etwas von dieser Größenordnung zu erzielen, es sei denn, man ging von einem System aus, in dem die größte Masse des Atoms in einem winzigen Kern konzentriert war. In jenem Augenblick hatte ich die Idee eines Atoms mit einem winzigen massiven Zentrum, das eine Ladung trägt.« [32]  
    Die experimentelle Entdeckung von Quarks im Innern von Protonen und Neutronen benutzte Methoden, die in mancherlei Hinsicht ähnlich wie die von Rutherford sind, aber noch höhere Energien als die von ihm eingesetzten Alpha-Teilchen erforderten. Diese höheren