Die Schönheit der Materie

Text: Boris Hänßler

Die Grundbausteine unseres Universums kennen wir noch nicht vollständig. Was wir bislang wissen, haben wir zum Teil dem Briten Brian Foster zu verdanken. Aufgrund seiner Arbeit verstehen wir besser, wie Protonen aufgebaut sind und welche Kräfte in ihrem Inneren wirken. In Hamburg möchte der renommierte Teilchenphysiker eine neue Ära seines Faches einleiten.

Die Welt, die Brian Foster erforscht, ist so winzig, dass wir sie uns nicht vorstellen können: Er untersucht Quarks, die fundamentalen Bausteine unserer Materie. Teilchenphysiker kennen sechs Quarks und ihre sechs Antiteilchen, die Anti-Quarks. Ihre Struktur und ihr Verhalten werfen nach wie vor viele Fragen auf. So ist etwa ungeklärt, warum Quarks nie allein auftreten, sondern immer in Paaren oder Gruppen – eines der größten Rätsel der modernen Physik.

Foster möchte als Humboldt-Professor für Beschleunigerentwicklung und Teilchenphysik an der Universität Hamburg unter anderem Antworten auf diese Frage finden. „Die nächsten Jahre werden in der Teilchenphysik eine neue Ära einleiten und revolutionäre Ergebnisse bringen“, glaubt der Brite. Er wird am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg Daten analysieren, die am Beschleuniger HERA bis 2007 gesammelt wurden.

Gleichzeitig arbeitet er an der Entwicklung neuer Technologien, etwa am International Linear Collider (ILC), einem 30 bis 40 Kilometer langen Elektronen-Positronen-Beschleuniger, der am DESY in Hamburg gebaut wird – bei Fertigstellung der größte der Welt. Er soll grundsätzliche Fragen zu Materie, Raum und Zeit klären helfen. Die Quarks könnten der Schlüssel sein.

November-Revolution der Teilchenphysik

Die Existenz der Quarks wiesen Physiker erst im 20. Jahrhundert nach. Atome galten als kleinste Einheiten der Materie, bis man feststellte, dass ihre Hülle aus Elektronen, ihr Kern aus Protonen und Neutronen besteht. In den 1960er Jahren verloren auch sie ihre „elementare“ Funktion, als der amerikanische Physiker Murray Gell-Mann noch kleinere Teilchen, die Quarks, postulierte – damals allerdings nur drei Varianten. Er erhielt den Nobelpreis – nicht der letzte für die Teilchenphysik. Am 11. November 1974 präsentierten Forscher der Universität Stanford und des Massachusetts Institute of Technology das „J/ψ-Meson“. In diesem Teilchen steckte ein viertes Quark, das man bisher als Fiktion angesehen hatte. Auch diese Entdeckung war dem Nobelpreis-Komitee eine Auszeichnung wert, und sie ging als „November-Revolution“ in die Geschichte ein. „Das war der Tag, an dem wir erst anfingen zu verstehen, wie Teilchenphysik funktioniert“, sagt Humboldt-Professor Foster.

Just an diesem Tag betrat er als junger Absolvent die Universität Oxford, um sich für eine Doktorandenstelle zu bewerben. „Die Professoren waren wegen der Neuigkeiten so aufgeregt, dass sie sich nur schwer durchringen konnten, mit mir zu sprechen“, erinnert er sich. Foster bekam die Stelle und begann seine Forscherkarriere in einer Zeit, die die Teilchenphysik erheblich verändern sollte. Mit seinen Experimenten trug er maßgeblich dazu bei, den Aufbau der Protonen und die Kräfte, die in diesen Teilchen wirken, besser zu begreifen.

Den „Quarksee“ verstehen

Inzwischen weiß man: Ein Proton setzt sich aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark zusammen. Ein weiterer Bestandteil sind Gluonen, die Protonen und Neutronen im Atomkern zusammenhalten. Sie heißen „Starke Kraft“ – neben Gravitation, Elektromagnetismus und Radioaktivität eine der vier Kräfte des Universums. Außer Gluonen tummeln sich in Protonen noch Quark-Antiquark-Paare. Physiker sprechen von einem regelrechten „Quarksee“. Interessanterweise treten Quarks immer in Dreier-Gruppen oder als Quark-Antiquark-Paar auf. Wenn die Bindung zerbricht, entsteht umgehend eine neue – bisher weiß niemand, warum. Foster hofft, dieses Rätsel in den kommenden Jahren in Hamburg lösen zu können.

Seine Arbeiten führten Brian Foster schon früh als Mitglied der Forschungsgruppe TASSO in die Hansestadt. 1979 wies die Gruppe am DESY erstmals die Existenz der Gluonen nach. „Das war eine der wesentlichen Entdeckungen, um das Standardmodell der Teilchenphysik auf eine wissenschaftliche Basis zu stellen“, sagt Foster. Ihm wurde bewusst: Entdeckungen hängen von der Leistung der Hilfsmittel ab – Beschleuniger, Detektoren, Analysemethoden. Die Entwicklung neuer Technologien wurde deshalb das zweite Arbeitsgebiet, in dem sich der Wissenschaftler einen Namen machte. Für TASSO entwarf er eine mit Gas befüllte Detektionskammer, um die Teilchen besser beobachten zu können, da sie mit Gas reagieren.

1992 liefen in Hamburg erste Experimente mit HERA, einem Beschleuniger der neuen Generation. HERA war zu der Zeit der einzige Speicherring weltweit, in dem Protonen und Elektronen beziehungsweise ihre Antiteilchen zur Kollision gebracht werden konnten. Fosters Team konnte die exakte Stärke der „Starken Kraft“ messen: Je dichter die Quarks beieinander sind, desto geringer die Kraft. Und umgekehrt: Je größer die Entfernung, desto stärker wirkt die Kraft. Die Gründe dafür zu klären ist eine Herausforderung der Zukunft – Brian Foster ist überzeugt: Mit neuen Beschleuniger-Technologien, die er an der Universität Hamburg entwickeln will, kann er den Ursachen auf die Spur kommen.

Und dann? Werden die Forscher noch kleinere Teilchen finden? Oder bestehen Quarks tatsächlich aus Strings, wie es die Stringtheorie suggeriert? Auch wenn Foster zugibt, dass diese Idee einen gewissen Reiz hat: „Ich bin eher Agnostiker. Ich produziere Daten und analysiere sie.“ Wichtiger, als an einer einzigen Theorie festzuhalten, sei es, offen für alle zu sein.