Wird es irgendwann eine Higgsbombe geben?

Vor einer Higgs-Bombe muss niemand Angst haben. Anders als bei der Kernspaltung oder der Kernfusion ist es nicht möglich, durch die Erzeugung oder den Zerfall von Higgs-Teilchen mehr Energie freizusetzen, als man selbst hineinsteckt. Vielmehr wird enorm viel Energie für unsere Beschleuniger benötigt, um extrem wenige Higgs-Teilchen zu erzeugen. Diese einzelnen Higgs-Teilchen zerfallen zudem so schnell, dass man sie auch nicht sammeln kann. Eine Bombe lässt sich unter diesen Voraussetzungen nicht bauen, wohl aber lassen sich einmalige Erkenntnisse über die Entstehung des Universums sammeln.

Wer hat die Quantentheorie erfunden?

Die gesamte Quantenphysik war nicht die geniale Idee eines einzelnen Wissenschaftlers. Sie entwickelte sich langsam und über viele Jahrzehnte hinweg.

Den Anfang machten Max Planck (Quantenhypothese für Schwarze Strahler, 1900) und Albert Einstein (Erklärung des Photoeffekts, 1905), als sie damalige Probleme der Physik nur mit der Annahmen von Energiepaketen lösen könnten. 1913 stellte Niels Bohr sein Quanten-Atommodell vor.

In den 1920er-Jahren legte die Quantenphysik dann eine enorm rasante Entwicklung hin – so revolutionär, dass irgendwann sogar Albert Einstein seine Schwierigkeiten damit hatte; auch Max Planck waren seine eigenen Quantenideen nie geheuer.

Wie bekommt das Higgs-Teilchen seine Masse?

Es gibt Teilchen, die mit sich selbst wechselwirken. Gluonen etwa können über Gluonen miteinander in Kontakt treten. Unter anderem deshalb ist die Starke Wechselwirkung auch so viel komplizierter als etwa die elektromagnetische Wechselwirkung. Man könnte also denken, das Higgs-Boson bekäme durch Selbst-Wechselwirkung seine Masse vom Higgs-Feld. So ist es aber nicht!

Wieso das Higgs-Bosons so schwer ist, wie es ist, lässt sich mit dem heute gängigen Standardmodell der Teilchenphysik nicht beantworten. Dieses Problem nennt man auch das »Hierarchieproblem der Higgs-Masse«.

Eine Antwort können Physiker also heutzutage noch nicht liefern, aber sie würden sich sehr darüber freuen. Unter anderem wollen Sie dafür am LHC die Selbst-Wechselwirkung des Higgs-Teilchens mit dem Higgs-Feld ganz genau untersuchen. Es lohnt also immer noch, mit einem Physikstudium zu beginnen.

Aus wie vielen Elementarteilchen besteht ein Mensch?

Gehen wir mal davon aus, ein 75 Kilogramm schwerer Mensch bestünde nur aus Wasser. Aus der Chemie weiß man, dass 6,022×10²³ Wassermoleküle rund 18 Gramm wiegen. Das ergibt für unseren wässrigen Menschen eine Zahl von 2,5×10²⁷ Wassermolekülen.

Ein Wassermolekül besteht nun aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Ein Wasserstoffatom besteht aus einem Elektron und einem Proton, das wiederum aus drei Quarks besteht. Macht vier Elementarteilchen für ein Wasserstoffatom. Bei den Sauerstoffatomen kommt man auf acht Elektronen und 45 Quarks, also 53 Elementarteilchen. Zusammen ergibt das 61 Elementarteilchen pro Wassermolekül.

Multipliziert man das mit der Anzahl der Wassermoleküle kommt man auf über 10²⁹ = 100 Quadrilliarden Elementarteilchen.

Vorsicht: Da der Mensch nicht nur aus Wasser besteht, ist die wahre Zahl vielleicht hundert Mal kleiner oder größer.

Können im LHC Teilchen auf Über-Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden?

Nein, das schafft kein Objekt im Universum – weder ein Schwarzes Loch, noch ein explodierender Stern, noch ein Teilchenbeschleuniger. Denn nichts kann auf Über-Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden.

Das besagt die Spezielle Relativitätstheorie von Albert Einstein. Danach bewegen sich masselose Teilchen immer mit Lichtgeschwindigkeit, Teilchen mit Masse hingegen können keine Lichtgeschwindigkeit erreichen. Denn je näher ein Teilchen an die Lichtgeschwindigkeit kommt, umso schwerer und träger wird es. Je träger etwas ist, umso mehr Energie braucht man, um es weiter zu beschleunigen. Die Formeln der Relativitätstheorie ergeben dabei, dass unendlich viel Energie notwendig wäre, um Lichtgeschwindigkeit zu erreichen.

Warum werden neu gefundene Elementarteilchen immer schwerer?

Weil Teilchenbeschleuniger immer leistungsstärker werden.

Heutzutage werden neue Teilchen ausnahmslos mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern erzeugt und nachgewiesen. Dazu werden bekannte Teilchen auf hohe Energien und zum Zusammenstoß gebracht. Aus der freiwerdenden Energie können dann neue Teilchen mit Masse entstehen.

Nach Einsteins Relativitätstheorie entspricht jede Energie einer genau festgelegten Masse. Die Energie der Teilchenbeschleuniger bestimmt also, welche maximale Masse erzeugt werden kann. Da die Leistung der Teilchenbeschleuniger immer größer wurde, konnten immer schwerere Teilchen erzeugt werden.

Es gibt hier aber auch Ausnahmen: Das Myon zum Beispiel wurde lange vor den Neutrinos nachgewiesen, obwohl Neutrinos viel leichter sind. Beide entstehen hoch oben in der Erdatmosphäre und fliegen dann zur Erde herunter, müssen also nicht extra im Beschleuniger erzeugt werden. Da sich Myonen aber viel einfacher als Neutrinos nachweisen lassen, wurden die Myonen zuerst entdeckt.

Wie kommt es zu einem Schwarzen Loch?

Ein Schwarzes Loch entsteht, wenn ein Stern in sich zusammenfällt und dabei zu einem so kleinen Bereich schrumpft, dass die resultierende Schwerkraft noch nicht einmal Licht entweichen lässt. Kein Licht = schwarz!

Wenn Sterne ganz normal brennen, gleichen sich zwei Kräfte aus: die Schwerkraft, die den Stern zusammenfallen ließe, und die Strahlung aus der Kernfusion, die ihn explodieren ließe. Wenn dem Stern irgendwann das Brennmaterial ausgeht, nimmt die Strahlung ab, die Schwerkraft aber bleibt.

Wie stark der Stern dann zusammenschrumpft, hängt von seiner Masse ab. Nur besonders schwere Sterne können zu einem Schwarzen Loch zusammenfallen. Unsere Sonne ist zu leicht dafür: Sie müsste etwa fünf- bis zehnmal schwerer sein, um zum Schwarzen Loch zu werden.

Was heißt DESY?

»DESY« steht für »Deutsches Elektronen-Synchrotron«. Das ist nicht nur der Name unseres Forschungszentrums; so heißt auch der erste Teilchenbeschleuniger, der bei DESY gebaut wurde.

Ein Elektronen-Synchrotron ist eine ringförmige Maschine, die Elektronen beschleunigt; Magnetfelder halten die Elektronen dabei auf Kreisbahnen. Man nennt diesen Beschleunigertyp »Synchrotron«, weil die Magnetfelder mit zunehmender Elektronenenergie stärker – also synchron gehalten - werden.

DESY zählt zu den weltweit führenden Teilchenbeschleuniger-Zentren. Bei uns erkunden Forscherinnen und Forscher den Mikrokosmos – vom Wechselspiel der Bewohner des Teilchenzoos über das Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe bis hin zu den lebenswichtigen Prozessen, die zwischen Biomolekülen ablaufen.

Was ist hinter dem Universum?

Seitdem sich Forscherinnen und Forscher sicher sind, dass das Universum nicht unendlich groß ist, fragen sich viele, was hinter des Universums los sein mag. Die Antwort ist schwierig und einfach zugleich: Nach heutigem Verständnis kann es »außerhalb des Universums« nichts geben. Das Universum umfasst allen Raum, der existiert. Die Frage, was dahinter sei, macht keinen Sinn.

Zudem gibt es keine Grenze, an der das Universum »zu Ende« wäre. Das kann man sich ein bisschen wie die Oberfläche der Erde vorstellen: Selbst wenn man für lange Zeit immer in die selbe Richtung fährt, erreicht man niemals ein Ende, wo die Erde zu Ende wäre – und trotzdem ist die Oberfläche der Erde nicht unendlich groß!

Wie lange wird die Sonne noch scheinen?

Die Sonne wird noch sehr lange leuchten, aber irgendwann hat auch sie das Ende ihrer Entwicklung erreicht. Dann hört sie jedoch nicht auf zu existieren, sondern wird sich erst zu einem Riesenstern aufblähen, um dann zu einem sehr schwach leuchtenden Sternenrest zu schrumpfen. Als dieser Sternenrest wird sie schließlich weiter existieren.

Die Sonne ist etwa viereinhalb Milliarden Jahre alt, sie wird noch etwa sieben Milliarden Jahre lang etwa so aussehen wie jetzt. Würde die Sonne so altern wie ein Mensch, könnte man sagen, dass sie jetzt etwa 30 Jahre alt wäre. Bis zum Lebensende der Sonne wird noch viele Dutzend Mal so viel Zeit vergehen, wie seit dem Aussterben der Dinosauriern vergangen ist.

Was sind Gammastrahlen und sind sie gefährlich?

Gammastrahlen sind nichts anderes als Photonen mit sehr hoher Energie.

Photonen mit einer Energie von ungefähr zwei Elektronenvolt sind sichtbares Licht und für uns in der Regel ungefährlich. Ab zehn Elektronenvolt beginnt die ultraviolette Strahlung, die unsere Haut schädigen kann. Ab tausend Elektronenvolt gibt es Röntgenstrahlung, die in der Medizin sehr nützlich ist, aber auch vorsichtig eingesetzt werden muss. Ab einer Million Elektronenvolt nennt man Photonen schließlich Gammastrahlung.

Gammastrahlung kann für Menschen gefährlich sein, weil sie das Erbgut in unseren Zellen verändern kann. In der Natur muss man sich ihretwegen in der Regel keine Gedanken machen. Beim Umgang mit menschlich hergestellten radioaktiven Materialien gibt es ausgefeilte Vorschriften zum Strahlenschutz, um Gesundheitsschäden zu vermeiden.

Wieso heißen Quarks »Quarks«?

Die Benennung der Quarks geht auf den US-amerikanischen Physiker Murray Gell-Mann zurück. Gell-Mann hatte 1964 als einer der Ersten die Idee, dass schwere Teilchen wie das Proton aus kleineren zusammengesetzt sind – er nannte sie Quarks.

Gell-Mann hat sich das Wort aber nicht selbst ausgedacht, sondern sich beim irischen Schriftsteller James Joyce bedient. In dessen Roman »Finnegans Wake« ist von »three quarks« die Rede. Gell-Mann fand das passend, weil nach seiner Theorie drei Quarks ein Proton bilden können.

Auch wenn James Joyce Deutsch sprechen konnte – mit Quark als Milchprodukt hat das Wort im Roman nichts zu tun. Es ist ein Phantasiebegriff.

Murray Gell-Mann zufolge soll es »kwork« ausgesprochen werden.

Wieso können Kraftteilchen eine Masse besitzen? Verstößt das nicht gegen den Energieerhaltungssatz?

Auf den ersten Blick sieht es so aus, als würde die Idee der Kraftteilchen die Energie- und Impulserhaltung verletzen. Danach müssen die Summe der Energie und die Summe der Impulse erhalten bleiben, wenn zwei Teilchen miteinander wechselwirken. Wenn aber zwischendurch plötzlich ein drittes (Kraft-)Teilchen existiert, dann würde dieses die Erhaltungsätze verletzen.

Die Auflösung liegt darin, dass das Bild von einem dritten Teilchen, welches vom einen zum anderen Teilchen flitzt und die Wechselwirkung vermittelt, nur eine grobe Beschreibung für einen viel komplexeren Vorgang ist. Diesen Vorgang kann man nur mit komplizierter Mathematik der Quantentheorie vollständig beschreiben.

Und genau die Quantentheorie ist es auch, die eine Verletzung der Energieerhaltung für einen kurzen Moment erlaubt. Denn in der Quantenwelt sind Energie und Zeit »unscharf« – das heißt, je genauer man die eine der Größen kennt, umso ungenauer ist die andere. Genauso sind Ort und Impuls eines Quantenteilchens unscharf. Dadurch kann das System so beschrieben werden, als hätte es mehr als die erlaubte Energie – aber eben nur für sehr kurze Zeit.

Die Folge: Es ist nicht möglich, ein solches Austauschteilchen »auf frischer Tat« zu erwischen – man wird es nie direkt messen können. Es ist eher eine Beschreibung für den Vorgang der Wechselwirkung als ein echtes Teilchen. Deshalb nennt man das Austauschteilchen auch »virtuell«.

Wie kann man Antimaterie erzeugen?

Bei vielen Teilchenreaktionen entsteht Antimaterie ganz von allein – beispielsweise beim Beta-Zerfall oder wenn Teilchen aus dem Kosmos auf die Erdatmosphäre prallen.

Antimaterie wird aber auch gezielt hergestellt, zum Beispiel um sie in Experimenten zu untersuchen oder für medizinische Zwecke zu verwenden. Dazu kann beispielsweise ein Strahl von »normalen« Teilchen auf einen Metallblock geschossen werden, wobei sehr viele neue Teilchen entstehen. Dazu gehört auch Antimaterie, die mit Hilfe von Magnetfeldern aussortiert und weiterverwendet werden.

Wie groß sind Teilchen?

Unsere Messungen haben bisher keine Größe ergeben haben. Daher gehen wir davon aus, dass die Teilchen punktförmig sind.

Dabei ist es gar nicht so einfach, verlässliche Aussagen über die Größe zu machen. Denn die Teilchen sind auf jeden Fall so klein, dass sie mit keiner üblichen Kamera, geschweige denn mit etwas wie einem Lineal oder einer Schieblehre vermessen werden können. Stattdessen werden Zusammenstöße der Teilchen genau untersucht, um zu überprüfen, ob sie eine Größe haben könnten.

Elementarteilchen sind also punktförmig. Anders sieht das bei Teilchen aus, die sich aus Elementarteilchen zusammensetzen. So hat beispielsweise das Proton, das hauptsächlich aus drei Quarks besteht, einen Durchmesser von etwa 1,5 Femtometern. (Ein Femtometer ist der millionste Teil eines Millionstel Millimeters.)

Myonen zerfallen immer in leichtere Teilchen. Tauonen auch?

Ja! Es ist sogar eine der wichtigsten Regeln in der Teilchenphysik, dass Teilchen mit Masse nur in leichtere Teilchen zerfallen können. Ansonsten würde Energie aus dem Nichts entstehen. Das spräche jedoch gegen den Energieerhaltungssatz.

Das Myon ist so leicht, dass von den Teilchen mit Masse nur die Elektronen und Neutrinos leichter sind. Es kann deshalb in nichts anderes zerfallen. Das Tauon ist aber deutlich schwerer als das Myon. Es kann nicht nur in Elektronen, Myonen oder Neutrinos zerfallen, sondern auch in bestimmte Kombinationen von Quarks, die Pionen heißen. Sie bestehen aus einem Up-Quark und einem Down-Quark. Bei allen Zerfällen gelten aber viele verschiedene Erhaltungssätze, sodass nicht alle vorstellbaren Kombinationen auch auftreten.

Kann Antimaterie als Raketenantrieb sicher genutzt werden?

Prinzipiell könnte Antimaterie als Energiequelle genutzt werden – zum Beispiel für einen Raumschiffantrieb. Bis das so komfortabel wie bei »Star Trek« geht, wird es allerdings noch sehr, sehr lange dauern – wenn es überhaupt dazu kommt. Konkrete Pläne gibt es da keine.

Abgesehen davon, wie ein solcher Antrieb aussehen würde (extrem kompliziert!) und wie die Antimaterie erzeugt werden würde (extrem kostspielig!), ist auch die sichere Aufbewahrung eine heikle Geschichte. Damit die Antimaterie keine normale Materie berührt (und sich mit dieser sofort in reine Energie umwandeln würde), müsste sie in komplizierten Magnetfeldern eingeschlossen werden. Dieswe Magnetfelder dürften niemals ausfallen.

100-prozentige Sicherheit können da noch nicht einmal die Chef-Ingenieure bei Star Trek garantieren. Ansonsten wäre auch fast jede dritte Folge reichlich ereignislos.

Wenn man Teilchen beschleunigen kann, kann man sie auch abbremsen?

Ja, und zwar auf ganz ähnliche Weise, wie man sie beschleunigt – durch elektrische Kräfte. Diese Kräfte müssen beim Bremsen lediglich andersherum gepolt sein als bei der Beschleunigung.

Experimente mit gebremsten Teilchen werden zum Beispiel am Teilchenphysik-Zentrum CERN in der Nähe von Genf gemacht: Hier werden Antiprotonen, die zuvor bei hoher Energie entstanden sind, abgebremst, um daraus Antimaterie zu formen.

Einen Haken hat die Be- und Entschleunigung durch elektrische Kräfte jedoch: Sie funktioniert nur bei elektrisch geladenen Teilchen.

Warum ist ein Quark-Zusammenschluss schwerer als die einzelnen Quarks?

Wenn Quarks zusammenfinden, geht es ausgesprochen wild zu. Beispiel Proton: Darin gibt es nicht nur zwei Up-Quarks und ein Down-Quark; zudem halten diese Quarks auch noch über den Austausch von Gluonen zusammen. Und als wäre das noch nicht kompliziert genug, können aus diesen Gluonen für kurze Zeit Quark-Antiquark-Paare entstehen, die wiederum über Gluonen zusammenhalten und so weiter und so fort.

Zusammen verfügen all diese Teilchen über eine relativ große Energie. Und weil die Spezielle Relativitätstheorie mit der Formel E = mc² besagt, dass jede Energie einer Masse entspricht, ist das Proton schwerer als drei einzelne Quarks.

Übrigens: Bei der Untersuchung dieser Zusammenhänge hat DESY mit dem Beschleuniger HERA wesentliche Beiträge geleistet.

Wie bestimmt man die Form von Teilchen?

Die Form von Elementarteilchen zu bestimmen ist schwierig, weil man die Teilchen weder mit den Augen, noch mit einer Kamera oder einem Mikroskop direkt anschauen kann. Wir »sehen« die Teilchen nur, wenn sie in unseren Detektoren Spuren hinterlassen. Um etwas über die Teilchen zu erfahren, können wir sogenannte Streuexperimente machen: Dabei untersuchen wir, wie die Teilchen von anderen Teilchen abprallen.

In der Teilchenzoo-Ausstellung gibt es einen Versuch, bei dem man ein solches Streuexperiment mit kleinen Metallkügelchen selbst durchführen kann. Von manchen Teilchen wie Elektronen oder Myonen wissen wir: Sie sind »rund«, sehen also von allen Seiten gleich aus. Man sollte sie sich aber nicht als Kugeln vorstellen, weil sie keine feste Oberfläche haben. Manche Teilchen sind aber selbst für Streuexperimente zu selten oder schwer zu finden, um sie genau zu vermessen: zum Beispiel Neutrinos.