Unsere Welt zu verstehen:  Vielfalt Elementarteilchen

 

 
Wie leer ist leerer Raum?

— hmsgnr0402z

 
 
Nichts ist leerer in unserer Welt als das physikalische Vakuum. Wirklich ganz leer aber ist es nicht:
 
Es enthält einen Nebel virtueller Teilchen (erzeugt und vernichtet durch ständige Quantenfluktuation) und darüber hinaus sog. dunkle Energie, die — gleichmäßig über den gesamten Raum verteilt — pro Kubikmeter etwa dem Energiegehalt von sieben Nukleonen entspricht (= 21 Quarks oder 14 Mesonen).
 
Hinzu kommen noch die Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung, derzeit mit etwa 1000-fach geringerer und der Expansion des Raumes wegen ständig weiter abnehmender Dichte.
 
Noch leerer geht es nicht.
 
 
Direkt nach dem Urknall gab es dieses Vakuum aber noch gar nicht:
 
Statt seiner gab es damals ein Plasma hoher Dichte von ungebundenen Quarks und Antiquarks, in dem alle Farbladungen gleich häufig vorkamen und absolut gleich verteilt waren. Frei gegen einander bewegen konnten jene Quarks sich damals nur wegen dieser Gleichverteilung und hohen Dichte, die zur Folge hatten, dass der Abstand zwischen jedem Quark und dem ihm nächsten seine Farbladung ausgleichenden Nachbarquark überall kleiner als 1 Femtometer (= 10^-15 Meter) war.
 
Mit anderen Worten: Jeder Kubik-Femtometer Plasma enthielt wenigstens 1 Quark oder Antiquark.
 
Erst als — der stetigen Ausdehnung des Raumes wegen — diese Dichte nicht mehr gegeben war, mussten die Quarks sich gruppieren zu Nukleonen (= je 3 Quarks) oder Mesonen (= je 1 Quark und 1 Antiquark) oder mussten sich mit einem Antiquark annihilieren, woraus dann Photonen entstanden: erste Strahlung.
 
Jede jetzt existierende Gruppe von Quarks musste farbneutral sein und ist vergleichbar mit einem Stabmagnet, dessen Pole sich ja auch nicht trennen lassen.
 
Schon im Plasma aber galt: Quarks können nicht existieren ohne ständig mit anderen Quarks Gluonen passender Farbladung auszutauschen — jenen anderen Quarks also auch entsprechend nahe zu sein: Die starke Wechselwirkung hat nur sehr kurze Reichweite.
 
Mehr als 1 Femtometer von einander entfernen lassen sich nur farbneutrale Gruppierungen von Quarks: Mesonen und Nukleonen. Da freie Neutronen nur eine mittlere Zerfallszeit von etwa 15 Minuten haben, entstanden jetzt auch Elektronen und Neutrinos (= "leichte Elektronen").
 
 
Wir sehen: Materie und Antimaterie haben zunächst nur in Form von Quarks und — etwas später — Leptonen und Nukleonen existiert. Da sie farbneutral sind, sich also nicht stets durch Austausch von Gluonen "an der Hand halten" müssen, konnten sie sich weit von einander entfernen, so dass nun auch leerer Raum entstand.
 
 
 

 
 
 
So etwa zwischen 10^-5 und 1 sec nach dem Urknall (der sog. Hadronen-Ära) haben sich — durch Annihilation — fast alle Paare von Hadronen und Antihadronen in Strahlung aufgelöst.
 
In den etwa 10 Sekunden danach (der sog. Leptonen-Ära) geschah dasselbe mit Leptonen und Antileptonen, da die Temperatur nun schon zu niedrig war, als dass sich neue solcher Paare hätten bilden können.
 
Dieser Prozess hat eine gewaltige Menge von Photonen erzeugt, so dass das Universum seitdem strahlungsdominiert ist.

 
Warum es ein klein wenig mehr Materie als Antimaterie gab, ist bis heute unklar. Ohne diese marginale Unsymmetrie wäre das Universum heute nur mit Photonen gefüllt — Atome, Sterne oder gar Menschen gäbe es dann nicht.

 
Obgleich die Zahl der Quarks im Universum sich seit jener Zeit kaum mehr verändert hat, haben — der Expansion des Raumes wegen — die Photonen ständig an Energie verloren.

 
 
 
Wie erklären sich Masse und die Vielfalt der Elementarteilchen?
 
 
Was wir als Masse bezeichnen, etwa als Masse der Quarks, ist eine durch Emergenz entstandene Eigenschaft:
 
Direkt nach dem Urknall hatten selbst Quarks noch keine Masse. Erst als die Dichte im Plasma abnahm, die Gluonen dann also an ihnen zu "ziehen" begannen, bekamen Quarks Masse, deren Wert sich in Mesonen und Nukleonen dann schließlich auf 300 MeV erhöht hat. Masse ist stets effektive Masse (nicht aber eine Grundeigenschaft der Elementarteilchen).
 
 
 
Wie die Teilchenphysik uns bewies, gibt es heute Teilchen recht unterschiedlicher Arten. Diese Vielfalt aber — davon geht man aus — hat sich erst im Laufe der Zeit entwickelt: So wie sich sämtliche Lebewesen aus wohl nur einer einzigen Urform entwickelt haben, könnte es zunächst auch nur eine einzige Art von Teilchen gegeben haben.
 
Modelle, welche dies plausibel machen wollen, sind neben der Stringtheorie

 

•   die wenigstens 42 Varianten der sog. GUT-Theorie ( "große vereinheitlichte Theorie" ), welche sich bisher aber noch in vielen Details widersprechen,
   
•   sowie SUSY ( die Idee sog. "Supergravitation" ), die — sollte sie sich bestätigen — eine noch weitergehende Vereinheitlichung als die GUT darstellen würde:

In GUT möchte man alle Fermionen ebenso wie alle Botenteilchen auf jeweils eine einzige Urform zurückführen, in SUSY aber sogar alle Teilchen als unterschiedliche Ausprägungen eines einzigen Urteilchens erkennen.
 
 
 
Quelle: Helmut Satz: Kosmische Dämmerung (2016), S. 48-61