Subatomare Teilchen: die Bausteine der Materie im Überblick

Was sind subatomare Teilchen?

Als subatomare Teilchen bezeichnet man alle Materie- und Kraftbausteine, die kleiner sind als ein ganzes Atom. Ein neutrales Atom besteht aus einem dichten, positiv geladenen Kern aus Protonen und Neutronen, umgeben von einer Wolke negativ geladener Elektronen. Diese drei - Proton, Neutron, Elektron - sind die klassischen Teilchen des Atoms und genügen bereits, um die gesamte Chemie zu erklären.

Doch nicht alle subatomaren Teilchen sind gleich fundamental. Hier verläuft eine entscheidende Trennlinie: Zusammengesetzte Teilchen bestehen aus kleineren Bausteinen - das Proton und das Neutron etwa sind jeweils aus drei Quarks aufgebaut. Elementarteilchen dagegen zeigen bis heute keine innere Struktur; sie gelten nach heutigem Kenntnisstand als unteilbar und punktförmig. Das Elektron und das Neutrino gehören zu dieser elementaren Sorte, das Proton hingegen nicht.

Die Größenverhältnisse sind schwindelerregend. Ein Atom hat einen Durchmesser von rund einem Zehntel Nanometer (10⁻¹⁰ Meter), sein Kern ist noch etwa zehntausend- bis hunderttausendmal kleiner. Mehr als 99,9 Prozent der Atommasse stecken damit in einem verschwindend kleinen Volumen. Der Raum dazwischen ist allerdings nicht wirklich leer: Er ist von den quantenmechanischen Zuständen der Elektronen erfüllt, die sich nicht als Bahnen, sondern als Aufenthaltswahrscheinlichkeiten beschreiben lassen.

Zusammengesetzt oder elementar: die zwei großen Kategorien

Die Physik ordnet die subatomaren Teilchen zunächst danach, ob sie aus kleineren Bestandteilen aufgebaut sind. Zusammengesetzte Teilchen, die aus Quarks bestehen und durch die starke Wechselwirkung gebunden sind, heißen Hadronen. Sie zerfallen in zwei Familien: Baryonen bestehen aus drei Quarks - Proton und Neutron sind die bekanntesten Vertreter -, während Mesonen aus einem Quark und einem Antiquark aufgebaut sind, etwa die kurzlebigen Pionen und Kaonen. Seit den 2000er-Jahren haben Beschleunigerexperimente zusätzlich exotische Hadronen mit vier oder fünf Quarks nachgewiesen, sogenannte Tetra- und Pentaquarks.

Die Elementarteilchen bilden die zweite große Kategorie. Sie sind die tatsächlichen Grundbausteine und werden im Standardmodell beschrieben. Zu ihnen gehören die sechs Quarks, die sechs Leptonen sowie die Kraftteilchen, die sogenannten Bosonen. Bislang hat kein Experiment eine Substruktur dieser Teilchen nachweisen können; die bisherigen Messungen zeigen, dass ein Elektron oder ein Quark - falls es überhaupt eine Ausdehnung besitzt - kleiner sein muss als etwa 10⁻¹⁹ Meter.

Eine Besonderheit der Quarks: Sie lassen sich nicht einzeln herausschlagen. Versucht man, zwei Quarks zu trennen, wächst die Energie im Feld zwischen ihnen so stark an, dass daraus neue Quark-Antiquark-Paare entstehen. Man beobachtet deshalb stets Hadronen, nie freie Quarks - Physikerinnen und Physiker nennen dieses Verhalten Confinement.

Fermionen und Bosonen: der Spin ordnet die Teilchenwelt

Ein zweiter, feinerer Ordnungsschlüssel ist der Spin, eine rein quantenmechanische Eigenschaft, die man sich vereinfacht als inneren Drehimpuls vorstellen kann. Teilchen mit halbzahligem Spin heißen Fermionen - dazu zählen alle Quarks und Leptonen. Teilchen mit ganzzahligem Spin heißen Bosonen; zu ihnen gehören die Kraftteilchen und das Higgs-Boson.

Der Unterschied ist tiefgreifend. Fermionen gehorchen dem von Wolfgang Pauli 1925 formulierten Ausschließungsprinzip: Zwei von ihnen können nicht denselben Quantenzustand einnehmen. Genau deshalb stapeln sich Elektronen in Schalen um den Atomkern, gibt es das Periodensystem der Elemente - und hat Materie überhaupt ein Volumen, statt in sich zusammenzufallen.

Bosonen verhalten sich umgekehrt. Sie sind nach dem indischen Physiker Satyendra Nath Bose benannt, dessen Arbeit von 1924 gemeinsam mit Albert Einstein zur Bose-Einstein-Statistik führte. Bosonen dürfen denselben Quantenzustand beliebig oft besetzen - darauf beruhen der Laser ebenso wie das im Labor erzeugte Bose-Einstein-Kondensat.

Eine kurze Geschichte der Teilchenentdeckungen

Den Auftakt machte 1896 Henri Becquerel mit der Entdeckung der Radioaktivität; Marie und Pierre Curie isolierten 1898 Polonium und Radium und lieferten damit die ersten leistungsfähigen Teilchenquellen. Nur ein Jahr nach Becquerel, 1897, identifizierte der britische Physiker J. J. Thomson am Cavendish-Laboratorium in Kathodenstrahlen das Elektron - das erste bekannte subatomare Teilchen und der Beweis, dass das Atom teilbar ist.

1909 beschossen Hans Geiger und Ernest Marsden auf Anregung Ernest Rutherfords eine dünne Goldfolie mit Alphateilchen; einige wurden überraschend stark zurückgestreut. Rutherford deutete das 1911 richtig: Fast die gesamte Masse eines Atoms sitzt in einem winzigen, positiv geladenen Kern. Zwischen 1917 und 1919 zeigte er zudem, dass beim Beschuss von Stickstoff Wasserstoffkerne freigesetzt werden - das Teilchen, das er 1920 Proton nannte.

1932 war ein Schlüsseljahr. James Chadwick wies das Neutron nach, das lange gesuchte neutrale Kernteilchen, und erklärte damit, warum Atomkerne schwerer sind, als ihre Ladung vermuten ließe. Im selben Jahr entdeckte Carl D. Anderson in der kosmischen Strahlung das Positron - das erste Antiteilchen, dessen Existenz Paul Dirac 1928 aus seiner relativistischen Quantengleichung abgeleitet hatte.

In den beiden folgenden Jahrzehnten spülten die kosmische Strahlung und die ersten Teilchenbeschleuniger einen ganzen „Teilchenzoo“ herbei: 1936 das Myon, 1947 das Pion und die ersten Kaonen, dazu Dutzende weiterer Hadronen. Die verwirrende Vielfalt verlangte nach einer ordnenden Idee - und die kam mit dem Quarkmodell.

Das Standardmodell: die moderne Landkarte

1964 schlugen Murray Gell-Mann und unabhängig von ihm George Zweig vor, dass die vielen Hadronen aus wenigen elementaren Quarks aufgebaut sind. Ende der 1960er-Jahre bestätigten Streuexperimente am kalifornischen Beschleunigerzentrum SLAC, dass das Proton tatsächlich punktförmige Bestandteile enthält. Aus dieser Idee wuchs bis in die 1970er-Jahre das Standardmodell der Teilchenphysik, die bis heute genaueste Theorie der Materie und ihrer Kräfte.

Das Standardmodell kennt zwölf Materie-Fermionen. Sechs davon sind Quarks: Up und Down, Charm und Strange, Top und Bottom. Die anderen sechs sind Leptonen: das Elektron, das Myon und das Tau sowie die drei zugehörigen Neutrinos. Diese zwölf Teilchen sind in drei „Generationen“ angeordnet; gewöhnliche Materie besteht praktisch vollständig aus der ersten Generation - Up-Quarks, Down-Quarks und Elektronen. Der Nachweis zog sich über Jahrzehnte: Charm 1974, das Tau-Lepton 1975, Bottom 1977, das Top-Quark erst 1995 am Fermilab bei Chicago und das Tau-Neutrino im Jahr 2000.

Parallel dazu vereinheitlichten Sheldon Glashow, Abdus Salam und Steven Weinberg die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung; die dabei vorhergesagten W- und Z-Bosonen wurden 1983 am CERN nachgewiesen. Das letzte fehlende Puzzleteil, das Higgs-Boson, gaben die Kollaborationen ATLAS und CMS am 4. Juli 2012 am Large Hadron Collider bekannt - mit einer Masse von rund 125 GeV. Peter Higgs und François Englert erhielten dafür 2013 den Physik-Nobelpreis.

Oft heißt es verkürzt, das Higgs-Feld verleihe „der Materie“ ihre Masse. Genauer ist: Es gibt den W- und Z-Bosonen sowie den elementaren Fermionen - Quarks und geladenen Leptonen - ihre Masse. Der weitaus größte Teil der Masse von Protonen und Neutronen und damit der Alltagsmaterie stammt dagegen nicht vom Higgs-Feld, sondern aus der Bindungsenergie der starken Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen. So gut das Standardmodell experimentell bestätigt ist, vollständig ist es nicht: Es beschreibt weder die Gravitation noch die dunkle Materie und erklärt auch nicht, warum die Neutrinos - anders als ursprünglich angenommen - eine winzige Masse besitzen.

Die vier Grundkräfte und ihre Botenteilchen

Materie allein ergibt noch keine Welt - es braucht Kräfte, die die Teilchen binden und bewegen. Im Standardmodell werden drei der vier bekannten Grundkräfte durch den Austausch von Bosonen vermittelt. Diese Botenteilchen sind gleichsam die Währung, in der Teilchen miteinander wechselwirken.

Die elektromagnetische Kraft, die Elektronen an Atomkerne bindet und Atome zu Molekülen verknüpft, wird vom masselosen Photon übertragen und hat deshalb unbegrenzte Reichweite. Die starke Wechselwirkung bindet die Quarks im Inneren von Protonen und Neutronen; ihre Botenteilchen sind die acht Gluonen. Sie ist die stärkste der vier Kräfte, wirkt aber nur über Kerndistanzen. Ein Rest dieser Kraft hält Protonen und Neutronen im Atomkern zusammen - gegen die elektrische Abstoßung der gleichnamig geladenen Protonen.

Die schwache Kernkraft ist für den Beta-Zerfall verantwortlich und damit für einen der wichtigsten Kanäle des radioaktiven Zerfalls. Getragen wird sie von den W- und Z-Bosonen, die mit etwa dem 85- beziehungsweise 97-Fachen der Protonenmasse ausgesprochen schwer sind; deshalb reicht die schwache Kraft nur über extrem kurze Distanzen. Nur sie kann Quarks von einer Sorte in eine andere umwandeln - genau das geschieht, wenn sich in einem Kern ein Neutron in ein Proton verwandelt.

Die vierte Kraft, die Gravitation, ist im Standardmodell nicht enthalten. Ein hypothetisches Botenteilchen, das Graviton, wurde nie nachgewiesen, und eine widerspruchsfreie Quantentheorie der Schwerkraft steht bis heute aus. Sie zu finden, gilt als eine der größten offenen Fragen der Physik.

Antiteilchen und die Symmetrie der Materie

Zu den meisten subatomaren Teilchen existiert ein Antiteilchen mit gleicher Masse, aber entgegengesetzter elektrischer Ladung und entgegengesetzten weiteren Quantenzahlen. Das Antiteilchen des Elektrons ist das Positron, das des Protons das Antiproton. Einige elektrisch neutrale Teilchen sind allerdings ihr eigenes Antiteilchen - etwa das Photon, das Z-Boson und das neutrale Pion.

Treffen ein Teilchen und sein Antiteilchen aufeinander, vernichten sie sich: Ihre gesamte Energie einschließlich der in der Masse steckenden Ruheenergie (E = mc²) geht in neue Teilchen über, meist in Photonen. Die Medizin nutzt das täglich - die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) bildet genau diese Vernichtungsstrahlung ab.

Diese Symmetrie wirft eine der tiefsten Fragen der Kosmologie auf. Nach dem Urknall hätten Materie und Antimaterie in nahezu gleichen Mengen entstehen und sich weitgehend gegenseitig auslöschen müssen. 1964 entdeckten James Cronin und Val Fitch an Kaonen eine winzige Verletzung der sogenannten CP-Symmetrie; sie reicht jedoch bei Weitem nicht aus, um den beobachteten Überschuss an Materie zu erklären.

Neutrinos nehmen dabei eine Sonderrolle ein. Es ist bis heute ungeklärt, ob sie ihr eigenes Antiteilchen sein könnten - sogenannte Majorana-Teilchen. Experimente suchen weltweit nach dem neutrinolosen Doppel-Betazerfall, der das beweisen würde; beobachtet wurde er bislang nicht.

Wie man das Unsichtbare sichtbar macht

Kein subatomares Teilchen lässt sich direkt sehen; man erschließt es aus den Spuren, die es hinterlässt. Im Large Hadron Collider am CERN bei Genf, einem 27 Kilometer langen Ringbeschleuniger, werden Protonen nahezu auf Lichtgeschwindigkeit gebracht und zur Kollision geführt. Aus der freigesetzten Energie entstehen neue Teilchen, deren Bahnen haushohe Detektoren aufzeichnen - auf diesem Weg wurde 2012 das Higgs-Boson gefunden.

Besonders scheu sind die Neutrinos. Weil sie nur der schwachen Wechselwirkung und der Gravitation unterliegen, durchdringen sie Materie fast ungehindert: Allein von der Sonne treffen pro Sekunde einige zehn Milliarden Neutrinos auf jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche - und damit auch auf unseren Körper. Ihr Nachweis gelang erstmals 1956 Clyde Cowan und Frederick Reines und erfordert heute gewaltige unterirdische oder im Eis versenkte Detektoren wie Super-Kamiokande oder IceCube. 2015 erhielten Takaaki Kajita und Arthur McDonald den Nobelpreis für den Nachweis der Neutrino-Oszillation - ein Beleg dafür, dass Neutrinos eine wenn auch winzige Masse besitzen.

An diese Allgegenwart knüpft auch angewandte Forschung an: Die Neutrino Energy Group, ein Forschungsunternehmen mit Sitz in Berlin unter Leitung von Holger Thorsten Schubart, untersucht mit ihrem Ansatz Neutrinovoltaic, ob sich mithilfe mehrlagiger Graphen-Silizium-Materialien geringe elektrische Spannungen aus Umgebungseinflüssen wie thermischer Bewegung und Strahlungsfeldern gewinnen lassen. Dabei handelt es sich ausdrücklich um Grundlagen- und Entwicklungsforschung und nicht um ein marktreifes Produkt; ein praktischer Nutzen ist wissenschaftlich nicht belegt.