Gesundheit: Sie kleben aneinander und sind doch frei

Im Lauf der Jahrtausende hat sich in der Physik eine Vorstellung durchgesetzt: dass die Phänomene, die wir in der Natur beobachten, letztlich auf unteilbare Bausteine der Materie zurückgehen. Als solche galten zunächst die Atome. Diese aber bestehen, wie man seit nunmehr 100 Jahren weiß, aus positiv geladenen Atomkernen und den sie umgebenden negativ geladenen Elektronen. Auch die Atomkerne sind weiter teilbar: in Protonen und Neutronen. Und selbst diese sind nicht die gesuchten letzten Bausteine, denn sie haben gleichfalls eine innere Struktur: Sie bestehen aus Quarks. Sind diese nun die kleinsten Partikel, aus denen alles besteht?

Inzwischen haben Forscher vor allem eins gelernt: Quarks entsprechen in vieler Hinsicht nicht dem, was wir uns gemeinhin unter Partikeln vorstellen. Mit einer originellen theoretischen Beschreibung dieser seltsamen Teilchen haben drei Wissenschaftler die Fachwelt überrascht, die dafür nun mit dem mit 1,1 Millionen Euro dotierten Physik-Nobelpreis ausgezeichnet werden: die drei US-Forscher David Gross, David Politzer und Frank Wilczek. Das teilte die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften am Dienstag in Stockholm mit.

Ihnen und anderen Physikern fiel es allerdings zunächst schwer, Quarks als Teilchen anzuerkennen. Üblicherweise wird Objekten erst dann eine Individualität zugesprochen, wenn man sie von anderen losgelöst betrachten kann. Bis heute aber hat niemand ein einzelnes Quark beobachtet. Quarks treten stets in größeren Verbänden in Erscheinung: paarweise (als Mesonen), in Dreiergrüppchen (als Protonen und Neutronen) oder sogar im Fünferpack (als Pentaquarks), wie Physiker erst kürzlich festgestellt haben. Auch mit noch so hohen Energien ist es nicht möglich, einzelne Quarks aus diesen Verbänden herauszureißen.

Doch obschon die Quarks in größeren Materiekomplexen eingesperrt sind, können sie sich etwa im Inneren eines Protons nahezu frei bewegen. Das stellten Wissenschaftler bei Experimenten an Teilchenbeschleunigern fest, als sie das Proton mit kleinen Sonden durchleuchteten. Sie standen vor einem Rätsel: Einerseits sind die Kräfte, die die Quarks aneinander binden, so groß, dass diese sich nicht trennen lassen, andererseits so klein, dass das Quark seine Nachbarn kaum spürt.

Gross, Politzer und Wilczek stellten im Jahr 1973 ein theoretisches Modell vor, mit dem sie diese Bewegungsfreiheit erklären und mathematisch formulieren konnten. Danach lässt sich die Kraft zwischen den Quarks etwa mit der Spannung eines Gummis vergleichen: Entfernen sich die Quarks voneinander, wird die Spannung größer und größer, liegen sie dagegen ganz nah beieinander, so ist die Kraft zwischen ihnen gering.

„Diese Berechnungen ermöglichten es, konkrete Vorhersagen dazu zu machen, wie die Quarks im Proton verteilt sind“, sagt Robert Klanner, der als Forschungsdirektor am Deutschen Elektronen-Synchrotron (Desy) für die Teilchenphysik verantwortlich ist. Dort schauen Wissenschaftler etwa mit zuvor beschleunigten Elektronen ins Innere der Atomkerne hinein. „Bei kleinen Abständen sieht es tatsächlich so aus, als wären die Quarks Teilchen, die nichts voneinander wissen“, sagt der Physiker. „Ich bin hocherfreut darüber, dass der Nobelpreis für eine der größten Entdeckungen des letzten Jahrhunderts in der Teilchenphysik vergeben wurde.“

Über den inneren Aufbau des Protons wissen Forscher dank der Entdeckung von Gross, Politzer und Wilczek inzwischen recht genau Bescheid. Es zeigte sich jedoch, dass die drei Quarks, aus denen man sich das Proton zunächst zusammengesetzt dachte, bei weitem nicht die einzigen Akteure sind. Im Innern des Protons blitzen ständig neue Pärchen aus Quarks und ihren Antiteilchen (Antiquarks) auf. Sie entstehen kurzzeitig und verschwinden wieder.

Eine wichtige Rolle spielen auch die „Klebeteilchen“ zwischen den Quarks, die die Übermittler der Anziehungskraft sind: die Gluonen. Wird der Abstand der Quarks groß, so beginnen diese Gluonen mit sich selbst zu reagieren. Sie pappen fest zusammen, und damit steigt die Kraft, die die Quarks gefangen hält. Bei kleinen Abständen dagegen tauschen die Quarks nur wenige Gluonen miteinander aus. Sie sind freier.

Wissenschaftler hoffen darauf, den Abstand zwischen den Quarks in künftigen Experimenten minimieren zu können. In sehr dichter Materie, bei sehr hohen Temperaturen, sollten sich die Atomkerne völlig in Quarks und Gluonen auflösen. Es sollte sich ein exotischer Materiezustand bilden: ein „Quark-GluonPlasma“.

Die Quarks würden dann ihre Freiheit wiedergewinnen, die sie nur in den ersten millionstel Sekunden nach dem Urknall hatten, ehe sie zu Atomkernen kondensierten. Vielleicht fällt es Forschern beim Anblick eines solchen Plasmas leichter, sie als Partikel zu akzeptieren.