Basale Bausteine der Welt

Schon die antiken Griechen entwickelten die Vorstellung, dass die Vielfalt der Erscheinungen der Welt auf unteilbare Atome zurückzuführen sein könnte, aus deren Kombination die verschiedenen Stoffe unserer Alltagswelt bestehen. Tatsächlich gelang es den Chemikern im 18. und 19. Jahrhundert, sämtliche Stoffe auf 92 verschiedene Atomsorten zurückzuführen. Allerdings stellte sich heraus, dass die Atome nicht wirklich unteilbar sind, sondern aus noch kleineren Bestandteilen bestehen, den Elektronen in der Atomhülle sowie den Protonen und Neutronen im Atomkern, die wiederum aus je drei Quarks zusammengesetzt sind.

Neben diesen Elementarteilchen, die direkt am materiellen Aufbau der Welt beteiligt sind, kennen die Physiker heute eine ganze Reihe weiterer Elementarteilchen, die nach aktuellem Kenntnisstand nicht aus noch kleineren Bestandteilen zusammengesetzt sind. Insgesamt umfasst das heutige Standardmodell der Teilchenphysik insgesamt 61 verschiedene Elementarteilchen.

Ein Zoo von 61 Elementarteilchen ist schon ziemlich groß zu nennen. Als die Griechen die Idee entwickelten, dass sich die Fülle der verschiedenen Materialien auf Kombinationen eines „unteilbaren Einen“ zurückführen lässt, hatten sie bestimmt nicht im Kopf, dass es 61 Grundbausteine gibt. Sie dachten wohl eher an einen einzigen Grundbaustein oder eine höchstens einstellige Zahl elementarer Grundbausteine.

Das heutige Standardmodell mit 61 verschiedenen Elementarteilchen ruft daher nach einer Vereinfachung. Die experimentelle Tatsache, dass sich die bekannten Elementarteilchen des Standardmodells ineinander umwandeln können, legt den Gedanken nahe, dass es sich bei ihnen um verschiedene Ausprägungen oder Kombinationen eines universellen Elementarteilchens handelt. Es gibt noch weitere Indizien für diese Hypothese: Alle Elementarteilchen haben eine elektrische Ladung, die der Ladung des Elektrons bis auf einen Faktor 0, ±⅓, ±⅔ oder ±1 entspricht. Dass die Werte der elektrischen Ladungen aller bekannten Elementarteilchen im Verhältnis kleiner ganzer Zahlen zueinanderstehen, legt die Vermutung nahe, dass sie kein reines Produkt des Zufalls sind, sondern dass in allen Elementarteilchen der gleiche Mechanismus wirksam ist, der die elektrische Ladung generiert und den Ladungswert des jeweiligen Elementarteilchens bestimmt.

Im Hinblick auf die elektrischen Ladungen gibt es noch weitere Auffälligkeiten:

• Die elektrische Ladung kann zwei verschiedene Vorzeichen haben (+ oder -).
• Zu jedem Teilchen gibt es ein Antiteilchen, dessen elektrische Ladung jeweils das umgekehrte Vorzeichen trägt.
• Quarks und Leptonen kommen in zwei Linien vor, wobei sich die elektrische Ladung von zwei Schwesterteilchen jeweils um eine ganze Elementarladung e unterscheidet (Elektron: -e / Neutrino: 0; down-Quark: -⅓e / up-Quark: +⅔e).
• Nur Teilchen und Antiteilchen, die keine ganzzahlige elektrische Ladung tragen, unterliegen der starken Wechselwirkung.

48 Teilchen des Standardmodells sind sogenannte Fermionen, die sich dadurch auszeichnen, dass sie alle einen inneren Drehimpuls tragen, der betragsmäßig den Wert von h/4π besitzt, wobei h = 6,64*10^-34 J*s das Plancksche Wirkungsquantum und π = 3,1415... die Kreiszahl meint. Mit diesem Drehimpuls, der auch Spin genannt wird, muss eine Rotationsenergie und eine Rotationsperiode verbunden sein. Da gemäß der Einsteinschen Beziehung E = mc² die beiden Größen Masse und Energie äquivalent sind, muss mit der Rotationsenergie des Spins eine Masse verbunden sein. Tatsächlich erhält man aus der bekannten Energiegleichung für Photonen E = h * f über die Beziehung h * f = h * τ^-1 = h/2π * 2π/τ = L * ω auch für alle anderen Bosonen E = L * ω = h/2π * 2π/τ = mc² und ebenso für Fermionen E = L * ω = h/4π * 4π/τ = mc², wenn man die de-Broglie-Beziehung τ = h / E = h / mc² benutzt. Damit ergibt sich eine sehr einfache Erklärung für die Ruhemasse der Teilchen, die ohne den komplizierten Higgs-Mechanismus auskommt, der gegenwärtig als Ursache der Ruhemasse allgemein akzeptiert ist. Wenn die 48 Fermionen sich zudem hinsichtlich ihres Trägheitsmoments unterscheiden, so wären trotz identischem inneren Drehimpuls ihre Rotationsenergie und ihre Rotationsdauern verschieden. Von den 48 Fermionen haben bekanntlich alle korrespondierenden Teilchen und Antiteilchen jeweils identische Ruhemassen, ebenso unterscheiden sich die drei Farbvarianten jedes Quark-Teilchens nicht in der Ruhemasse. Insgesamt gibt es bei den Fermionen zwölf verschiedene Ruhemassen, die durch unterschiedliche Trägheitsmomente der betreffenden Teilchen zustande kommen könnten.

Wir möchten an dieser Stelle die gewagte Hypothese aufstellen, dass alle 48 bekannten Fermionen auf ein einziges Universalteilchen zurückgeführt werden können, welches unterschiedliche Konfigurationen annehmen kann, aus denen sich die unterschiedlichen elektrischen Ladungen und die unterschiedlichen Trägheits­momente (und mithin Ruhemassen) ergeben.

Zwölf weitere Teilchen des Standardmodells – die Wechselwirkungsteilchen der elektromagnetischen, der schwachen und der starken Wechselwirkung – haben einen doppelt so großen inneren Drehimpuls wie die Fermionen. Dieser Umstand legt die Vermutung nahe, dass sie aus jeweils zwei der hypothetischen Universal­teilchen zusammengesetzt sind. In diese Richtung deutet auch die experimentelle Tatsache, dass Photonen, W-Bosonen und Z-Bosonen in jeweils zwei Fermionen zerfallen können. Wenn die Bosonen mit dem inneren Drehimpuls h/2π tatsächlich aus jeweils zwei Universalteilchen bestehen, muss es einen Mechanismus geben, der sie zusammenhält. Ein solcher Mechanismus müsste eine sehr kurze Reichweite haben, denn sonst wären für die Bildung der Bosonen keine gewaltsamen Zusammenstöße von Fermionen nötig. Vielleicht spielt das 61. Teilchen im Standardmodell, das 2012 am Teilchenbeschleuniger CERN entdeckt wurde und bislang dem Higgs-Mechanismus zugeschrieben wird, bei diesem bislang unbekannten Mechanismus eine Rolle.