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Preonen

Ich bin ja ein physikalischer Laie, aber als solcher sehr an aktuellen Erkenntnissen dieser Wissenschaft interessiert. So weiß ich, dass alle uns bekannten Elementarteilchen durch das Standardmodell der Teilchenphysik sehr gut beschrieben werden. Hier eine Grafik, die alle Teilchen des Standardmodells zeigt:

Vielleicht kurz zu einigen Details dieser Grafik:

  • Die lila gekennzeichneten sechs Elemente sind die Quarks. Diese Teilchen wurden in den 60er Jahren von Murray Gell-Mann vorgeschlagen. Als freie Teilchen existieren sie nicht. Aus den zwei ersten Quarks, dem Up-Quark und dem Down-Quark setzen sich die beiden Teilchen zusammen, die man im Atomkern findet, das Proton und das Neutron. Die anderen vier Quarks werden benötigt, um den Aufbau von exotischeren Teilchen zu beschreiben.

  • Die grünen Elemente in der Grafik stellen die Leptonen dar. Sie kommen als Einzelteilchen in der Natur vor. Das wichtigste von ihnen ist sicherlich das Elektron, das neben den bereits erwähnten Neutronen und Protonen Bestandteil aller Atome ist.

  • Die Neutrinos wurden zuerst theoretisch von Wolfgang Pauli vermutet, weil sonst bestimmte Gleichungen beim Zerfall von Atomen „nicht aufgegangen“ wären. Inzwischen kennt man drei verschiedene Arten von Neutrinos.

  • Die Wechselwirkungen zwischen diesen Teilchen, den Quarks, den Leptonen und Neutronen/Protonen werden konzeptionell ebenfalls durch eine Art von Teilchen beschrieben, den sogenannten „Eichbosonen“. Wir kennen derzeit vier Arten von Kräften in der Physik, die starke und die schwache Kernkraft, die elektromagnetische Wechselwirkung und die Gravitation. Das Photon vermittelt dabei die elektromagnetische Wechselwirkung. Das Gluon steht für die starke Kernkraft und hält die Quarks in Protonen und Neutronen zusammen. Die schwache Kernkraft wird durch W- und Z-Bosonen vermittelt und erklärt den Zusammenhalt und die Umwandlung von Atomkernen, die aus Protonen und Neutronen zusammengesetzt sind.

  • Das Higgs-Boson erklärt einen kleinen Teil der Masse der Elementarteilchen (etwa 5% der Masse der Atome).

  • Im Standardmodell fehlt ein Teilchen namens „Graviton“, das konzeptionell die Wirkung der Gravitation erklären würde. Aber weder lässt sich die Gravitation theoretisch in das Standardmodell einfügen, noch wurde bisher ein Teilchen experimentell nachgewiesen, das dem Graviton entsprechen würde.

Neben der Tatsache, dass es bisher nicht gelungen ist, die Gravitation in das Standardmodell einzufügen, gibt es eine Reihe weiterer „Mängel“ dieses Modells, der bereits verlinkte Wikipediaartikel über das Standardmodell zählt einige davon auf:

Das Standardmodell der Teilchenphysik kann nahezu alle bisher beobachteten teilchenphysikalischen Beobachtungen erklären. Allerdings ist es unvollständig, da es die gravitative Wechselwirkung gar nicht beschreibt. Außerdem gibt es auch innerhalb der Teilchenphysik einige offene Fragen, die das Standardmodell nicht lösen kann, wie z. B. das Hierarchieproblem und die Vereinigung der drei Grundkräfte. Auch die inzwischen bestätigte, von Null verschiedene Ruhemasse der Neutrinos führt über die Theorie des Standardmodells hinaus.

An anderer Stelle werden weitere genannt, so enthält das Standardmodell 18 freie Parameter, die sich nicht aus dem Modell selbst ergeben, sondern experimentell bestimmt werden müssen und somit ad hoc in das Modell eingehen.

Ich persönlich finde noch eine Reihe weiterer Widersprüche interessant, für die ich (für mich) innerhalb des Standardmodells keine Antwort finde. Die beiden wichtigsten:

  1. Was ist ein Teilchen? Im Standardmodell ist ein Teilchen etwas, das selbst keine Ausdehnung mehr besitzt, also punktförmig ist. Aus diesem Grund ist das Elektron ein Bestandteil das Standardmodells, während sich Protonen und Neutronen aus Quarks zusammensetzen und erst diese Bestandteile des Modells sind. Für Protonen und Neutronen hat man nämlich in Experimenten eine räumliche Ausdehnung feststellen können, für das Elektron nicht.

  2. Was passiert bei Teilchenumwandlungen?

    • Bei der Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium in der Sonne müssen Protonen in Neutronen umgewandelt werden.

    • Freie Neutronen sind nicht stabil und zerfallen in Protonen, Elektronen und Neutrinos.

    • Die drei Neutrinoarten wandeln sich fortwährend ineinander um.

Warum sind das jetzt (für mich) Widersprüche innerhalb des Standardmodells? Erstens versagt eigentlich unsere herkömmliche Vorstellung eines Teilchens, wenn wir von makroskopischen Teilchen zu Teilchen übergehen, die punktförmig sind und keine Ausdehnung mehr haben. Es verbleibt eigentlich nur noch, dass wir an einem bestimmten Ort zu einer bestimmten Zeit (und das auch noch mit den Schwierigkeiten wegen der Heisenbergschen Unschärferelation) mehrere Eigenschaften gemeinsam messen können. Das konzeptualisieren wir dann als Teilchen, das die gemessenen Eigenschaften besitzt.

Unsere Vorstellung suggeriert uns zweitens, dass sich Teilchen, die keine Ausdehnung haben, beliebig nahe kommen können. Einige der Wechselwirkungen, denen sie unterliegen, sind aber Funktionen des Abstandes. Die elektromagnetische Wechselwirkung ist z.B. eine Funktion von 1/R^2. Teilchen mit der gleichen Ladung stoßen sich immer stärker ab, je näher sie sich kommen, solche mit unterschiedlicher Ladung ziehen sich immer stärker an. Bei einem Abstand von Null werden die Kräfte dann unendlich, was offensichtlich physikalisch unsinnig ist. Die Stringtheorie, die das Kozept punktförmiger (also nulldimensionaler) Teilchen durch das eindimensionaler Teilchen ersetzt, löst dieses Problem – ist aber derzeit in meinen Augen (noch?) keine physikalische Theorie, weil sie kaum messbare Größen vorhersagt.

Drittens stört mich die Idee, dass bei diversen Umwandlungen Teilchen vergehen und entstehen, die nach dem Standardmodell elementar sind. Ein Beispiel ist der Zerfall eines freien Neutrons. Freie Neutronen haben im Gegensatz zu den im Atomkern gebundenen Neutronen nur eine endliche Lebensdauer von etwa 880 Sekunden. Ein Neutron zerfällt in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino. Da sich ein Neutron aus einem Up- und zwei Down-Quarks zusammensetzt und ein Proton aus zwei Up- und einem Down-Quark, lautet die eigentliche Umwandlungsformel:

d = u + e^{-} + \overline{v_{e}}

Dabei ist d das Down-Quark, u das Up-Quark, e das Elektron und das v ein Antineutrino. Es gibt ein paar Erhaltungsgrößen, die natürlich bei einer solchen Umwandlung konstant bleiben müssen, z.B. die elektrische Ladung. Ein Up-Quark hat eine elektrische Ladung von +2/3, ein Down-Quark von -1/3. Folgerichtig wird bei der Umwandlung ein Elektron mit einer elektrischen Ladung von -1 freigesetzt.

Das Problem, das ich hier aber sehe, ist, dass Teilchen, die für das Standardmodell elementar sind, a) bei der Umwandlung vernichtet und b) andere Teilchen an ihrer Stelle erzeugt werden. Von einem wirklich überzeugenden Teilchenmodell würde ich erwarten, dass den Erhaltungsgrößen elementare Teilchen entsprechen, die bei der Umwandlung zwar von einem zusammengesetzten Teilchen zu einem anderen verschoben werden, selbst aber erhalten bleiben.

In Spektrum der Wissenschaften 12/2013 habe ich jetzt (zu meiner großen Freude) von Theorien gelesen, die tatsächlich in eine entsprechende Richtung gehen. In diesem Heft gibt es einen Artikel mit dem Namen „Das Innenleben der Quarks“. In dem Artikel werden Überlegungen vorgestellt, dass Quarks nicht die elementaren Bestandteile der Materie, sondern selbst aus anderen, noch grundlegenderen Bausteinen zusammengesetzt sind, den „Preonen“. Preonenmodelle gibt es inzwischen mehrere, ein älteres wird in dem Artikel so vorgestellt:

Forscher haben schon zahlreiche Vorschläge für hypothetische Teilchen gemacht, aus denen Quarks und Leptonen zusammengesetzt sein könnten. Sie tragen unterschiedliche Namen, werden aber alle unter dem Begriff Preonen zusammengefasst. Ein einfaches Preonenmodell stammt von 1979. Der Israeli Haim Harari, der damals am Linear Accelerator Center in Stanford forschte, und der US-Amerikaner Michael Shupe, damals an der University of Illinois, hatten es unabhängig voneinander entwickelt. Gemeinsam mit seinem Schüler Nathan Seibert erweiterte Harari es 1981 noch, beide arbeiteten damals am israelischen Weizmann Institute of Science.

Diesem Modell zufolge existieren zwei Arten von Preonen: das eine mit einer elektrischen Ladung von +1/3, das andere ohne Ladung. Außerdem hat jedes dieser Preonen ein Pendant aus Antimaterie, das entgegengesetzte Ladung besitzt, also -1/3 und ebenfalls null. Diese Preonen sind Fermi-onen, also Materieteilchen. Jedes Quark und jedes Lepton besteht aus einer unterschiedlichen Kombination von je drei Preonen. Zum Beispiel ergeben zwei Preonen mit jeweils Ladung +1/3 und ein Preon mit Ladung null das Up-Quark. Dessen Gegenstück aus Antimaterie enthält zwei Preonen mit Ladung -1/3 sowie ein weiteres mit Ladung null.

Das Gegenstück zu den Fermionen sind Bosonen. Erstere sind für die Bildung von Materie zuständig, Letztere für die Übertragung der Kräfte. Dem Modell zufolge bestehen Bosonen aus preonischen Sechserkombinationen. Das positiv geladene W-Boson zum Beispiel, das die schwache Kernkraft überträgt, die sowohl auf Quarks als auch auf Leptonen wirkt, ist demzufolge aus drei Preonen mit +i/3-Ladung und drei weiteren elektrisch neutralen Preonen aufgebaut.

Ausgehend von einer Reihe plausibler Annahmen postulierten Harari und Shupe die jeweilige Zusammensetzung aller Teilchen der ersten Generation. Auch Gluonen, welche die starke Kernkraft vermitteln, also Quarks zu Protonen und Neutronen zusammenfügen, sind dem Modell der beiden Forscher zufolge aus Preonen aufgebaut. Dasselbe gilt für die anderen kraftübertragenden Bosonen.

Der Trick bei der Entschlüsselung jeder inneren Struktur von Quarks, Leptonen und Bosonen besteht darin, die zahllosen Wechselwirkungen dieser Teilchen zu berücksichtigen. Bei der Kollision eines Up-Quarks mit einem Down-Quark aus Antimaterie etwa entsteht ein positives W-Boson. Dieses wiederum zerfällt in ein Positron, also ein Anti-Elektron, und ein Elektron-Neutrino.

Wenn man sich (ganz oben im Artikel hier) die Grafik mit dem Standardmodell ansieht, dann drängt sich die Analogie mit dem Periodensystem der Elemente auf. Heute weiß man, dass sich alle chemischen Elemente aus nur drei Elementarteilchen (Protonen, Neutronen, Elektronen) zusammensetzen, wobei sich ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften aus dem Aufbau der Atomhülle (Elektronen) und aus Masse und Größe der Atome erklären lassen. Ähnliches könnte ein Preonenmodell leisten, indem es die große Zahl von Teilchen des Standardmodells auf eine kleinere Anzahl von verschiedenen Preonen zurückführt.

Für die elektrische Ladung wird das im Zitat schon deutlich, für die Massen der verschiedenen Generationen von Fermionen, Leptonen und Bosonen könnte das über unterschiedliche Anregungszustände der Preonen erfolgen. Auch hier drängt sich (mir, nicht im Artikel zu finden) eine Analogie auf: Lange Zeit waren die Wellenlängen in Emissions- und Absorptionsspektren nicht recht erklärbar, bis sich eine einfache Regel fand, die sogenannte Balmer-Serie. Ausgehend von einer einzigen empirischen Konstante lassen sich alle anderen Wellenlängen im Wasserstoffspektrum berechnen. – Für mich wäre es die ultimative Bestätigung eines Preonenmodells, wenn es eine mathematisch plausible Erklärung für die völlig willkürlich scheinenden Massen der Teilchen im Standardmodell bietet.

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  1. Jalella
    6. Januar 2014, 10:56 | #1

    Zum Thema „Elementarteilchen werden vernichtet/erzeugt“: Das ist vielleicht ein Missverständnis. „Elementar“ heißt hier, dass es keine anderen Teilchen gibt, nicht, dass sie nicht erzeugt/vernichtet werden können. Das können sie durch die Äquivalenz von Energie und Masse immer. Beliebtestes Beispiel ist die Erzeugung von „virtuellen Elektron-Positron-Paaren aus Photonen bzw. die Vernichtung derselben.

    Wenn das ungewohnt oder unlogisch erscheint, gibt es fürchte ich keine Theorie, die das ändern könnte. Aber vielleicht wird es doch mal eine Theorie geben, bei der alle beobachtbaren Eigenschafte (inklusive Ladung und Statistik ->Fermion/Boson) als eine Art Anregung eines einzigen Teilchens ergeben?! Mich selbst hat zumindest die Erzeugung/Vernichtung von Elementarteilchen nie so sehr gestört wie z.B. die vielen experimentellen Parameter und die völlige Unvereinbarkeit der Gravitation.

  2. 6. Januar 2014, 20:43 | #2

    @Jalella
    Die Äquivalenz von Masse und Energie definiert *einen* Erhaltungssatz. Dieser erklärt aber nicht den Erhalt *anderer* Eigenschaften wie z.B. den Spin oder irgendwelche Farbladungen. Wie werden diese erhalten bzw. „transportiert“? Das ist mir noch unklar und eigentlich nur erklärbar, wenn es Subteilchen gibt, ob masse/energiebehaftet oder nicht, die es von dem vernichteten zum erzeugten Teilchen übertragen.

  1. 1. November 2014, 19:37 | #1