10 unglaubliche Teilchen, die Wissenschaftler entdeckt haben

Laut Quantenphysik besteht alles, was existiert, aus Teilchen. Materie, Licht, sichtbare und unsichtbare Dinge. Dies sind alles Teilchen, und sie steuern die Funktionsweise des gesamten Universums. Einige von ihnen sind den meisten von uns gemeinsam und gut bekannt, wie zum Beispiel Elektronen. Andere sind etwas ungewöhnlicher, etwa Quarks. Aber die Grundidee jedes Teilchens ist, dass es ein elementares Ding ist, das aus nichts anderem besteht. Sie können ein Atom in Protonen, Neutronen und Elektronen zerlegen. Aber man kann ein Teilchen nicht in etwas anderes zerlegen. Werfen wir vor diesem Hintergrund einen Blick auf einige der erstaunlichsten Entdeckungen, die die Wissenschaft gemacht hat oder zumindest zu entdecken glaubt.

10. Gottesteilchen

Wenn Wissenschaftler etwas als Gottesteilchen bezeichnen, bezeichnen sie es tatsächlich als etwas mehr als nur mehr. Um fair zu sein, der korrekte Name für das Teilchen ist Higgs-Boson, aber der Physiker Leon Lederman hat sich einen ausgefalleneren Namen ausgedacht, weil es nicht so einfach ist, die Medien dazu zu bringen, sich für Teilchen zu interessieren.

Die Existenz des Higgs-Bosons wurde bereits 2013 bestätigt. Die Theorie dazu wurde jedoch schon in den 1960er-Jahren aufgestellt, sodass sich die Suche danach hinzog. Stephen Hawking wettete einmal um 100 Dollar, dass er niemals entdeckt werden würde, und wurde verbrannt. Er hat auch zu Protokoll gegeben, dass das Higgs-Boson eines Tages das Universum zerstören wird, also markieren Sie das in Ihrem Kalender.

Bei all dieser Anhäufung muss man sich vorstellen, dass das Higgs-Boson ziemlich erstaunlich ist, und die Wahrheit ist: Ja, das Higgs-Boson ist wunderbar. Es dauert jedoch ein wenig, bis man es versteht, also probieren wir es einfach mal aus.

Ein Boson ist ein Elementarteilchen. Bosonen sind für alle fundamentalen Kräfte des Universums verantwortlich, beispielsweise für den Elektromagnetismus sowie die schwachen und starken Kernkräfte.

Das Higgs-Feld ist ein Energiefeld, das anderen Teilchen wie Elektronen Masse verleiht. Vereinfacht gesagt sind Higgs-Bosonen teilweise für die Entstehung der Teilchenmasse im Universum verantwortlich. Das Boson selbst hat eine große Masse, ist aber kurzlebig und daher in der Natur schwer zu finden. Aber seine Existenz bestätigt vieles von dem, was wir über das Standardmodell der Physik wissen, und hilft zu erklären, warum es überhaupt ein Teilchen gibt. Es könnte auch dabei helfen, dunkle Materie zu erklären und noch mehr Teilchen zu identifizieren, die wir nicht kennen oder verstehen.

Komisch, Lederman hat es technisch gesehen nicht als Gottesteilchen bezeichnet. Er nannte es das verdammte Teilchen, weil er davon enttäuscht war, wie schwer es zu entdecken war. Sein Verleger änderte den Namen.

9. Tetraquark

Unter Quarks versteht man am einfachsten die kleinsten Teile der Materie. Ein Stück Eisen besteht aus Eisenatomen. Diese Atome bestehen aus Dingen wie Elektronen und Protonen. Aber selbst wenn man sie zerlegen würde, blieben immer noch Quarks übrig. Sie haben Masse und Spin und es gibt sie in sechs Arten, die witzigerweise „Geschmacksrichtungen“ genannt werden. Diese Düfte sind in Paare eingeteilt, die man „oben und unten“, „oben und unten“, „charmant“ und „fremd“ nennt. Seltsam, oder? Nun, das wird noch seltsamer.

Im Jahr 2021 entdeckten Wissenschaftler das Tetraquark, ein exotisches Hadron bestehend aus zwei Quarks und zwei Antiquarks. Vor seiner Entdeckung galt dies als unmöglich. Die Idee, dass sich Teilchen jemals miteinander verbinden könnten, wurde nicht als Option betrachtet, doch Daten des Large Hadron Collider bewiesen das Gegenteil.

Die Entdeckung des Tetraquarks wird Forschern mehrere neue Werkzeuge an die Hand geben, um die starke Kraft besser zu verstehen, die Quarks zur Bildung von Neutronen und Protonen zusammenhält.

8. Neutrino

Wenn Sie in den letzten Jahrzehnten Science-Fiction-Filme gesehen haben, ist Ihnen das Wort „Neutrino“ schon oft aufgefallen. Es ist beliebt und auch wenn den meisten von uns die Wissenschaft entgangen ist, klingt es immer noch interessant.

Im wirklichen Leben haben Neutrinos eine viel intensivere Existenz, als sich die meisten von uns vorstellen können. Dies sind subatomare Teilchen, die aus galaktischen Kataklysmen entstehen, wie explodierende Sterne. Sie bewegen sich fast mit Lichtgeschwindigkeit, und viel Glück dabei, einen von ihnen zu stoppen, denn sie können durch etwas, das scheinbar aus Blei besteht, so leicht passieren, wie man durch eine offene Tür geht.

Die Masse der Neutrinos ist überraschend gering. Die zur Beschreibung verwendeten Zahlen bedeuten nichts, wenn Sie nicht bereits über solide Kenntnisse in der Physik verfügen. Allerdings sind sie etwa 500.000 Mal kleiner als ein Elektron. Im Gegensatz zu einem Elektron besitzen sie aber auch keine elektrische Ladung. Ohne Masse und ohne Ladung existieren Neutrinos also fast gar nicht. Aber sie sind auch überall. Die Sonne bombardiert Sie jede Sekunde mit etwa einer Milliarde davon.

Die Tatsache, dass Neutrinos eine gewisse Masse haben, auch wenn sie mikroskopisch klein sein mag, könnte die gesamte Masse des Universums erklären und erklären, warum wir überall Materie und nicht Antimaterie um uns herum haben.

7. Myonen

Myonen gehören wie Quarks zu den Grundteilchen der Existenz. Sie ähneln Elektronen, sind jedoch größer und wiegen 207-mal mehr. Sie sind sehr kurzlebig und zerfallen innerhalb von 2,2 Mikrosekunden nach ihrer Entstehung in Elektronen und Neutrinos. Sie entstehen, wenn kosmische Strahlung mit Teilchen in unserer Atmosphäre kollidiert, und in diesen 2,2 Mikrosekunden gelingt es ihnen, die Erde zu bombardieren und etwa eine Meile unter die Oberfläche zu dringen, da sie sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen.

Forschungen am Large Hadron Collider haben gezeigt, dass Myonen nicht immer das tun, was die Wissenschaft sagt. Einfach ausgedrückt: Sie schwingen. Aber das sollten sie nicht. Und die Tatsache, dass sie oszillieren, deutet darauf hin, dass sich dort möglicherweise ein anderes Teilchen befindet, an das niemand gedacht hat und das ihre Funktionsweise beeinflusst.

6. Quarks

Wir haben das Tetraquark bereits erwähnt, daher ist es sinnvoll, es in ein einfaches Quark zu zerlegen. Wenn man Dinge wie Protonen und Neutronen auseinanderbricht, entstehen Quarks und Gluonen. Es gibt sechs Arten von Quarks und sie existieren immer paarweise. Tatsächlich haben Wissenschaftler bereits versucht, ein Quark von seiner anderen Hälfte zu trennen, aber es hat einfach nicht funktioniert. Entweder sind sie miteinander verbunden oder überhaupt nicht.

Die Art und Weise, wie Quarks und Gluonen interagieren, ist die Quelle der Masse in Atomen. Im Grunde bedeutet das, dass die gesamte Masse der Materie, wie wir sie verstehen, aus Quarks und Gluonen entsteht. Im Gegensatz zu den meisten Teilchen, die als positiv, negativ oder neutral geladen beschrieben werden, gehen Quarks weiter. Es wird auch beschrieben, dass sie eine Farbladung besitzen, was als Quantenchromodynamik bezeichnet wird. Dabei werden die theoretischen Farben Rot, Blau oder Grün (es handelt sich eigentlich nicht um diese Farben) zur Beschreibung ihrer einzigartigen Quanteneigenschaften verwendet.

5. Gravitonen

Die Wissenschaft erkennt vier grundlegende Kräfte, die im Universum wirken. Schwache und starke Kernkräfte, Elektromagnetismus und Schwerkraft. Mit den ersten drei kommen wir in den meisten Fällen mehr oder weniger zurecht. Die Schwerkraft ist jedoch ein bisschen ein Joker.

Wir verstehen, wie Photonen mit Elektromagnetismus interagieren, wie Quarks und Gluonen mit der starken Kernkraft interagieren und wie Bosonen mit der schwachen Kernkraft interagieren. Was wir nicht wissen, ist, was die Schwerkraft überträgt. Hier kommen Gravitonen ins Spiel, die theoretischen Teilchen, die es der Schwerkraft ermöglichen, eine Kraft auf Dinge in der realen Welt auszuüben. Das Problem mit Gravitonen ist, dass wir nicht wirklich wissen, ob sie existieren. Sie sind immer noch theoretisch. Die Wissenschaft kann die Schwerkraft nicht erklären.

Überraschenderweise wissen wir, obwohl wir nicht genau wissen, ob es Gravitonen gibt, sehr viel über sie. Wir wissen, dass ihre Masse Null oder nahe daran liegt und dass sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Warum können wir sie also nicht finden?

Die Schwerkraft ist die schwächste der vier Kräfte, was es schwierig macht, sie zu verfolgen. Es wurde berechnet, dass ein Jupiter-Massengravitationsdetektor, der in der Nähe eines supermassereichen Objekts wie eines Neutronensterns platziert wird, immer noch Schwierigkeiten haben würde, irgendetwas zu entdecken.

4. Tachyonen

Danke Star Trek für die Popularisierung von Tachyonen, zumindest in einigen Kreisen. Diese theoretischen Teilchen wären aufgrund ihrer geradezu seltsamen Natur wahrscheinlich dunkel und unbekannt, wenn die Science-Fiction sie nicht aufgegriffen hätte. Denken Sie daran, dass sie technisch gesehen nicht existieren, aber einige Physiker glauben, dass sie existieren.

Der größte Bekanntheitsgrad von Tachyon ist seine Geschwindigkeit. Sie reisen schneller als das Licht. Dies allein ist für viele der Grund zu der Annahme, dass ein Tachyon nicht existieren kann, weil sich nichts schneller als Licht bewegt. Aber die theoretische Physik ist bereit, allem nachzugeben, wenn es Beweise gibt. Warum also nicht?

Wenn sich ein Tachyon schneller als das Licht bewegt, kann sich der Tachyon basierend auf dem, was wir über die Zeit wissen, in der Zeit rückwärts bewegen. Wir gehen im Allgemeinen davon aus, dass sich nichts schneller als Licht fortbewegen kann, weil seine Masse zunimmt, ebenso wie die Energie, die zu seiner Bewegung erforderlich ist. Bei Lichtgeschwindigkeit würde man praktisch stecken bleiben. Aber Tachyonen beschleunigen sich, wenn sie Energie verlieren, was bedeutet, dass sie diese Barriere überwinden können. Dabei entstehen auch all jene Zeitparadoxien, die wir aus Filmen kennen. Und das ist ein guter Grund, warum sie möglicherweise überhaupt nicht existieren.

Wenn sie existieren, sich aber schneller als die Lichtgeschwindigkeit bewegen, ist es natürlich nicht verwunderlich, dass wir sie noch nicht entdeckt haben, und genau aus diesem Grund werden wir sie möglicherweise nie entdecken.

3. Dunkle Materie

Sie haben den Begriff „dunkle Materie“ wahrscheinlich schon einmal gehört, aber wenn Sie nicht sicher sind, was das bedeutet, willkommen im Club. Auch die Wissenschaft tut sich damit schwer, aber es beantwortet viele Fragen zur Funktionsweise des Universums und ist daher im Moment so etwas wie ein Platzhalter für die Erklärung vieler kosmischer Phänomene.

Die Art und Weise, wie sich Galaxien aufgrund unserer Beobachtungen bewegen, ergibt keinen Sinn. Galaxien bewegen sich, als wären sie viel massereicher, als sie erscheinen. Es muss eine geheime Massenquelle geben, die jede Galaxie zusammenhält, und diese Quelle ist Dunkle Materie.

Dunkle Materie reflektiert, absorbiert oder emittiert keinen Elektromagnetismus, was ihr ihren Namen gibt. Es ist im Wesentlichen unsichtbar und daher nur theoretisch. Aber es strahlt Schwerkraft aus, die das Universum zusammenhält. Und das ist eine Menge. Tatsächlich etwa 80% der gesamten Masse des Universums.

2. Teilchen

Spartikel ist ein tolles Wort, das an Spartacus und Partikel erinnert, aber nur die Hälfte des Wortes ist richtig. Der „s“-Teil bedeutet eigentlich „supersymmetrisch“. Teilchen sind beispielsweise supersymmetrische Teilchen, und ihre Existenz kann wie eine Kokosnuss die Geheimnisse der Physik enthüllen.

So nützlich das Standardmodell der Teilchenphysik auch ist, wie wir gesehen haben, weist es viele Lücken auf. Was ist dunkle Materie? Wie funktioniert die Schwerkraft? Was bringt Myonen zum Schwingen? Es stellt sich die Frage, woher die Masse kommt und so weiter. Es gibt genügend Fragen, die den Wert des Standardmodells oder die Notwendigkeit, ein völlig neues Modell zu entwickeln, in Frage stellen könnten. Es sei denn natürlich, man kann irgendwo Streichhölzer unterbringen.

Viele der Probleme, denen wir in der Teilchenphysik begegnen, können mit der Theorie der Supersymmetrie erklärt werden. Danach muss jedes Teilchen einen supersymmetrischen Partner haben. Theoretisch könnten diese Partnerteilchen alle möglichen Lücken in unserem Verständnis des Universums schließen. Sie haben sogar den Large Hadron Collider gebaut, nur um diese Dinge zu finden. Und es hat nicht funktioniert. Das bedeutet nicht zwangsläufig, dass die Theorie falsch ist, sondern nur, dass die Physik komplex ist und es einige Zeit dauert, die Grundlagen der Realität zu verstehen.

1. Photonen

Ah, das bescheidene Photon. Jeder kennt Photonen. Photonen bilden Licht, wie wir es verstehen, kleine Teilchen elektromagnetischer Energie, die es Licht ermöglichen, sowohl als Teilchen als auch als Welle zu funktionieren. Photonen sind natürlich mehr als nur Licht, das vom Bildschirm Ihres Telefons auf Ihre Augen trifft, damit Sie es sehen können. Sie verfügen auch über WLAN, das Ihnen Zugang zum Internet ermöglicht, ganz zu schweigen von Radiowellen, Mikrowellen, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen und mehr.

Alles, was wir sehen, geschieht, weil Photonen existieren, die es uns ermöglichen, es zu sehen. Das heißt, wenn wir ins Universum blicken und einen Stern sehen, der vor einer Milliarde Jahren explodierte, haben diese Photonen eine lange Reise zurückgelegt, um hierher zu gelangen, was sie zu ernsthaften Arbeitspferden der Teilchenwelt macht.