Aufbau der Materie
Was wir wissen ...
Bei einer Reise in das Innere der Materie gelangen wir über Kristallgitter oder Moleküle zunächst auf die Stufe der Atome. Die Physik des letzten Jahrhunderts hat gezeigt, dass Atome keineswegs unteilbar sind, sondern dass sie aus einer ausgedehnten Elektronenhülle und einem kompakten Atomkern bestehen. Der Atomkern wiederum besteht aus den positiv geladenen Protonen und den elektrisch neutralen Neutronen. Beide werden unter dem Begriff Nukleon zusammengefasst. Seit etwa 30 Jahren wissen wir, dass auch Nukleonen eine innere Struktur besitzen. Die darin enthaltenen Teilchen, die Quarks, werden heute zusammen mit den Elektronen als die elementaren Bausteine der Materie angesehen.
Die uns umgebende Materie erweist sich so als eine Hierarchie verschiedener zusammengesetzter Systeme, die in ihren Abmessungen annähernd 40 Größenordnungen überdecken: von Galaxien über die makroskopische Materie, die wir anfassen können, bis zu den elementaren Bausteinen, den Quarks und Elektronen.
In den verschiedenen Hierarchien bewirken unterschiedliche Bindungskräfte den Zusammenhalt des jeweiligen Systems. Während die Vorgänge im Makrokosmos durch die Gravitation bestimmt werden, ist im Bereich der Atome die elektromagnetische Anziehung zwischen den negativen Elektronen und den positiven Atomkernen die stabilisierende Kraft. Atomkerne werden durch die so genannte Starke Kraft zusammengehalten, die zwischen den Nukleonen wirkt, aber auch zwischen den Quarks im Inneren des Nukleons. Außerdem gibt es noch die für die Entstehung der Materie nicht minder wichtige Schwache Kraft, die zum Beispiel über den radioaktiven Beta-Zerfall die Umwandlung von Atomkernen bewirkt.
... und was wir wissen wollen
Auch wenn wir die elementaren Bausteine kennen, so sind wir immer noch weit davon entfernt, die komplexen Eigenschaften der Materie und ihre vielfältigen Erscheinungsformen beschreiben zu können. Ein Grund liegt darin, dass wir die Kräfte und die ihnen innewohnenden Symmetrien noch zu wenig verstehen. Dies gilt insbesondere für die Starke Kraft zwischen den Quarks und zwischen den Nukleonen, die uns noch viele Rätsel aufgibt.
Ein zweiter Grund lässt sich mit dem Satz umschreiben: Das Ganze ist mehr als die Summe der Teile. Die Vielfalt der Erscheinungsformen der Materie im Kosmos ist das Resultat eines komplexen Zusammenspiels ihrer Bausteine. Dieses Zusammenspiel hat im Laufe der Universumsgeschichte verschiedene Metamorphosen der Materie bewirkt, die im Ergebnis zu immer größeren und komplexeren Strukturen führten.
FAIR soll uns helfen, die ungelösten Rätsel beim Aufbau der Materie zu lösen.
Im Gegensatz zu Elektronen kommen Quarks nicht als isolierte Teilchen in der Natur vor, sondern sind immer in Dreier- oder Zweiergruppen aneinander gefesselt.
- Warum beobachten wir keine isolierten Quarks?
Protonen und Neutronen enthalten je drei Quarks. Die Masse der elementaren Quarks beträgt weniger als zwei Prozent der Masse der Nukleonen.
- Warum sind die Protonen und Neutronen viel schwerer als ihre Bestandteile?
Auf der Erde findet man etwa 300 stabile Atomkerne. Daneben existiert zusätzlich eine viel größere Zahl von instabilen Kernen, vermutlich mehr als 6000, die durch radioaktiven Zerfall in die stabilen Kerne übergehen.
- In welchen Mischungen von Protonen- zu Neutronenzahlen können Kerne vorkommen? Welche neuen Eigenschaften zeigen die sehr instabilen Kerne?
Die Kräfte, die auf die Bausteine der Materie wirken, gehorchen bestimmten Symmetrien - mit dramatischen Auswirkungen auf den Aufbau der Materie und die Entwicklung des Universums.
- Welchen fundamentalen Symmetrien gehorchen die Naturgesetze? Unter welchen Bedingungen und mit welchen Folgen werden solche fundamentale Symmetrien verletzt?