Führung durch den Teilchenzoo

Hadronenforschung: Bochumer Wissenschaftler geben der Teilchenphysik neue Impulse

Wissenschaftler sprechen oft liebevoll vom „Teilchenzoo“, wenn sie die Gesamtheit der heute bekannten Elementarteilchen beschreiben. Doch was vor 70 Jahren als beschaulicher Streichelzoo begann, ist heute ein riesiger Safaripark geworden, in dem sich selbst Physiker bisweilen verloren vorkommt. Seit einem Jahr sorgen Neuentdeckungen, sog. exotische Teilchen, für Verwirrung, denn sie lassen sich in keines der bereitstehenden Gehege hineinzwängen und verlangen nach völlig neuen Konzepten. Die Ordnung im Teilchenzoo steht Kopf; es scheint an der Zeit zu sein, sich von liebgewonnenen Vorstellungen und überholten Lehrbuchweisheiten zu trennen.

Bei dieser wissenschaftlichen Revolution in vorderster Front mit dabei: Bochumer Physiker. Die Institute für Experimentalphysik I und Theoretische Physik II haben sich in der Welt der Hadronenphysik einen Namen gemacht und konnten aufsehenerregende Erfolge verbuchen. Bei der Suche nach exotischen Teilchen sind die Professoren Dr. Helmut Koch und Dr. Werner Meyer bei zahlreichen internationalen Forschungsvorhaben an großen Teilchenbeschleunigern in Deutschland, der Schweiz und den USA mit im Rennen. Die Arbeiten der Theoretiker um Prof. Dr. Klaus Goeke und Dr. Maxim Polyakov trugen maßgeblich zur Entdeckung der bisher größten Sensation, des sog. Fünf-Quark-Teilchens, bei. Aber beginnen wir die Führung in der guten alten Zeit, als im Teilchenzoo noch alles in geordneten Bahnen verlief.

Abgesehen von elektromagnetischen Effekten wird das Geschehen in der mikroskopischen Welt der Elementarteilchen von zwei Kräften gesteuert, die man (etwas einfallslos) die starke und die schwache Kraft nennt. Sie sorgen dafür, dass Atomkerne nicht auseinanderfallen, regeln die Vorgänge beim radioaktiven Zerfall, sind einfach allgegenwärtig. Alle Teilchen, die der starken Kraft unterliegen, nennt man Hadronen, die anderen Leptonen.

Prominenteste Vertreter der Hadronen-Familie sind die Kernbausteine Neutron und Proton. Aber wer glaubt, das „Hadronen-Haus“ im Teilchenzoo hätte nur diese beiden Attraktionen zu bieten, irrt. Kaonen, Pionen, Charmonium – eine Unmenge weiterer Teilchen tummelt sich dort vergnügt. Etwas Ordnung ins Chaos bringen die Quarks. Sie sind die Bausteine der Hadronen und erlauben, diese in zwei Gruppen zu teilen: Baryonen und Mesonen.

Der geistige Vater der Quarks, der Physiker Gell-Mann, postulierte, dass sich die Baryonen stets aus drei Quarks zusammensetzen. Der Legende nach benannte er die kleinen Kerlchen, die im deutschen Sprachraum wider besseren Wissens Assoziationen zum Kühlregal im Supermarkt wecken, nach einem literarischen Vorbild: kleinen, zwergähnlichen Figuren aus James Joyces Roman „Finnegan’s Wake“, die ebenfalls immer im Dreierpack auftreten. Die Mesonen hingegen sollen aus einem Quark-Antiquark-Paar bestehen. In beiden Fällen verhindern die Gluonen, Klebstoffteilchen, dass die Hadronen auseinanderfallen.

So weit, so gut. Doch selbst dieses nicht ganz einfache Modell ist ins Wanken geraten. Seit einiger Zeit prognostizieren Theoriephysiker, dass der Vorrat an Hadronen mit den bekannten Vertretern längst nicht erschöpft ist. Ihrer Meinung nach sind auch solche denkbar, die sich aus deutlich mehr als drei Quarks zusammensetzen. Vor sechs Jahren setzten Bochumer Physiker zusammen mit einer russischen Gruppe den Steckbrief eines solchen, bisher unbekannten Teilchens auf. Masse und Lebensdauer – die wichtigsten Erkennungsmerkmale – konnten sie genau vorhersagen. Mehrere internationale Forschungseinrichtungen nahmen mit diesen präzisen Vorgaben die Fahndung nach dem Exot auf – und wurden fündig. Die Sensation war perfekt: Das neue Teilchen besteht aus mindestens vier Quarks und einem Antiquark und trägt den wohlklingenden Namen „Theta+“.

Doch wie findet man ein solches Teilchen, und warum erst jetzt? Die Arbeit der Hadronenphysiker ist prinzipiell immer gleich: Mit riesigen Geschwindigkeiten, oft nahe der Lichtgeschwindigkeit, jagen sie Teilchen durch ausgedehnte Beschleunigeranlagen. Die Geschosse prallen aufeinander, werden zerschmettert und zerfallen in ihre Bestandteile, die sich neu formieren. Gewaltige Detektoren messen jedes neue Teilchen und jede neue Information. Alles eine Frage der Statistik. Bis auf diese Weise seltene Teilchen entstehen und erkannt werden, sind Geduld und Forscherneugier auf harte Proben gestellt. Bei Theta+ mussten einige Anlagen drei Jahre lang messen, um es zweifelsfrei zu identifizieren.

Seitdem ist die Welt der Hadronenforscher in Aufruhr. „Fast täglich erscheint eine neue Theorie, die das exotische Teilchen erklären will“, schmunzelt Prof. Goeke. Hauptsächlich sind es zwei Modelle, die miteinander konkurrieren. Das eine Lager versucht, das alte Konzept der Drei-Quark-Teilchen nun auf Quark-Quintette zu erweitern. Das andere Lager, zu dem auch Goeke und Polyakov gehören, schwört auf das „Soliton-Modell“. Demnach ist das Vakuum nicht leer, sondern mit unendlich vielen Quarks negativer Energie gefüllt. Ein Hadron aus drei, fünf oder mehr Quarks darf deswegen nicht als völlig isoliert betrachtet werden, sondern steht immer in Wechselwirkung mit diesem Quark-See.

Wie so oft, wird auch hier ein Experiment den Streit zwischen den Theoretikern entscheiden müssen. Die Anhänger beider Modelle berechnen zurzeit fieberhaft die Eigenschaften weiterer exotischer Hadronen, nach denen große Forschungseinrichtungen suchen können. Prof. Koch setzt besondere Hoffnungen auf ein Großprojekt, das momentan bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt entsteht. An der Planung und dem Entwurf des internationalen Beschleunigerzentrums, das demnächst in Bau geht, war er maßgeblich beteiligt. Dort werden Versuche möglich sein, die einige offene Fragen klären können. Nach beträchtlichen Umbauarbeiten kehrt dann vielleicht wieder Ruhe im Teilchenzoo ein.

Die Arbeitsgruppen
Die Arbeitsgruppe (AG) von Prof. Helmut Koch beteiligt sich an der Suche nach neuen, exotischen Teilchen. Vor ca. zehn Jahren entdeckte sie z.B. einen Zustand, der ein viel versprechender Kandidat für ein Teilchen ist, das nur aus Gluonen besteht. Ob beim Elektronenbeschleuniger ELSA in Bonn, in Jülich oder in Stanford – überall, wo kleine Teilchen mit wahnsinnigen Geschwindigkeiten aufeinanderprallen, ist das Know-how der Bochumer gefragt. Ihre Spezialität: so wenig Reaktionsprodukte wie möglich (insbesondere hochenergetische Photonen) unbemerkt aus dem Versuchsaufbau entwischen zu lassen. Nur so sind genaue Rückschlüsse auf die neu entstandenen Hadronen möglich. Die Wissenschaftler setzen dabei auf den sog. Crystal-Barrel-Detektor, der sich – wie ein Fass geformt – um den Bereich des Aufpralls schmiegt. Seine Tausende von Cäsium-Jodid-Kristallen können die Photonen auffangen und nachweisen.

Als theoretische Entdecker des exotischen Theta+-Teilchens (Fünf-Quark-Teilchen), könnte man die AG um Prof. Klaus Goeke und Dr. Maxim Polyakov bezeichnen. Lange bevor es in aufwändigen Versuchen rund um die Welt nachgewiesen wurde, hatte sie seine Eigenschaften mit Hilfe des Soliton-Modells berechnet. Nach diesem Erfolg sind die Wissenschaftler ihrem theoretischen Modell natürlich treu geblieben. Zurzeit haben sie sich die Stöße von Elektronen mit Protonen und Neutronen vorgenommen und wollen genau voraussagen, welche Teilchen bei einem solchen Aufprall aus den Kernbausteinen herausgeschleudert werden.

Nicht im Sport, sondern in der Physik werden in Bochum Weltrekorde aufgestellt: in der AG von Prof. Werner Meyer. Niemand sonst bringt die Kerne von schwerem Wasserstoff (Deuterium) dazu, sich so gleichförmig und synchron zu drehen. Natürlich geht es um den Spin – eine Eigenschaft, die jedes Teilchen besitzt und die wie eine Art Drehung um die eigene Achse zu verstehen ist. Wenn man sie lässt, sind diese Achsen völlig willkürlich ausgerichtet, doch in einem Magnetfeld kann man sie in eine bestimmte Richtung zwingen. Eine der spannendsten Fragen der Teilchenphysik ist die, wie sich der Spin eines Hadrons auf seine Bestandteile (Quarks, Gluonen) aufteilt. Der Lösung kommen die Forscher näher, indem sie u.a. Elektronen auf Materialien schießen, bei denen die Spins der Nukleonen möglichst alle in dieselbe Richtung zeigen. Für solche Experimente gut geeignet ist eine spezielle Variante des Festkörpers Butanol, der statt Wasserstoff dessen schwereren Bruder Deuterium enthält. 80 % der Spins konnten die Bochumer in diesem Material in dieselbe Richtung ausrichten – das macht ihnen niemand nach.

Weltweit führend
Über den Stellenwert der Bochumer Hadronenphysik sprach Birgit Krummheuer mit Prof. Helmut Koch (Experimentalphysik I).

RUBENS: Herr Professor Koch, Sie und ihre Kollegen denken darüber nach, die Institute für Experimentalphysik I und für Theoretische Physik II umzubenennen in „Institut für Hadronenphysik“. Warum?
Koch: De facto forschen bereits drei Lehrstühle bzw. Arbeitsgruppen der Kern- und Teilchenphysik in Bochum seit Jahren sehr erfolgreich in der Hadronenphysik. Die im nächsten Jahr wieder zu besetzende C3-Professur wird ebenfalls dort angesiedelt. Im Rahmen der Profilschärfung der Fakultäten ist es daher logisch, eine solche Umbenennung vorzunehmen.

RUBENS: Wo sehen Sie die Bochumer Hadronenphysik im internationalen Vergleich?
Koch: Ich glaube, sie zählt weltweit zu den zehn Prozent der besten Institutionen. Die Experimentatoren sind in erfolgreichen Versuchen tätig, sie haben zudem großen Einfluss auf zukünftige Entwicklungen genommen. Dazu zählen der Aufbau des Hadronenbeschleunigers bei der GSI und die Entwicklung von polarisierten Targets mit bisher unerreichtem Polarisationsgrad. Auch die Theorie ist sehr international ausgerichtet und hat bei der Aufklärung der Struktur des Nukleons sowie der Vorhersage von neuartigen Hadronen (Theta+) eine wichtige Rolle gespielt. Die Bedeutung der theoretischen und experimentellen Gruppen wird auch daran deutlich, dass beide zuletzt internationale Konferenzen und Workshops in Deutschland veranstaltet haben.

RUBENS: Momentan stehen in der Teilchenphysik viele Konzepte, die heutige Studenten in ihren Lehrbüchern vorfinden, auf dem Prüfstand. Wie beurteilen Sie das?
Koch: Für aktive Forscher ist es spannend, in einer Phase zu leben, in der neue Effekte gefunden werden. In unserem Fall werden sie sicher dazu beitragen, das alte Bild vom Aufbau der Hadronen zu ergänzen oder neue Ideen zu lancieren.

RUBENS: Experimentelle Teilchenphysiker können nur selten ihre Versuche an der eigenen Uni durchführen. Wie beurteilen Sie die Mitarbeit an internationalen Großprojekten?
Koch: Es gibt naturgemäß nur einige Orte in der Welt, wo Beschleuniger stehen, an denen die hier diskutierten Experimente durchgeführt werden können. Die Vorteile bei der Mitarbeit an auswärtigen Experimenten liegen – insbesondere für Doktoranden und Diplomanden – in der internationalen Ausrichtung der Arbeiten, die wegen der großen internen Konkurrenz auf hohem Niveau sein müssen. Die Nachteile liegen darin, dass regelmäßige Reisen nötig sind. Allerdings werden viele der in die Detektoren eingebauten Komponenten zu Hause konzipiert und getestet, so dass der Ausbildungsaspekt nicht zu kurz kommt. Zahlreiche Arbeiten lassen sich heute per Computer von zu Hause aus erledigen. So werden z.B. größere Komponenten der in Kalifornien sowie in der Schweiz und Deutschland aufgebauten Experimente von Bochum aus gesteuert.