Immer mehr Versuche wurden unternommen um die verschiedenen Teilchenfamilien neu zu ordnen beziehungsweise um zu erklären wie die Gruppierung zustande kommt.

Einer dieser Versuche war das Model von dem Japanischen Physiker S. Sakata. Er betrachtet das Proton, das Neutron und das neutrale Lambda Teilchen als jene drei Teilchen, aus denen alle übrigen Hadronen aufgebaut sind.

Den wohl konkretesten und erfolgreichsten Versuch eine neue Ordnung in den Teilchensalat zu bringen unternahmen unabhängig voneinander Murray Gell-Mann und Yuval Ne'eman - den sogenannten "Achtfachen Weg". Hierbei wurden die Teilchen mit demselben Spin in geometrische 1er, 8er, 10er oder 27er Gruppen nach ihrem Isospin beziehungsweise ihrer Seltsamkeit in Diagrammen angeordnet. Dieses Modell erwies sich insofern als erfolgreich, da es die Existenz und die Eigenschaften des Omega minus Teilchen sehr genau voraussagen konnte - und wie wir ja wissen: der beste Beweis für eine Theorie, sind nachprüfbare richtige Aussagen.

Obwohl der Achtfache Weg recht konkrete und genaue Aussagen machen konnte, war schon bald klar, daß es sich dabei um keine endgültige und fundamentale Lösung handeln konnte. Vielmehr fand die Idee einer inneren Struktur der Hadronen immer mehr Anhänger. Wieder einmal war es Murray Gell-Mann der 1964 ein konkretes Modell vorstellte: Demnach sind alle verschiedenen Hadronen ein Produkt von 3 verschiedenen Bausteinen mit den Bezeichnungen u, d und s. "u" und "d" stehen für up und down und "s" für strange (seltsam). Der Überbegriff dieser Teilchen lautet Quarks.

2 Grundregeln sind ausschlaggebend für die Kombination dieser Teilchen:

Seltsamkeit: Wird durch das Quark s bestimmt (Seltsamkeit von s = -1)

Baryonen Zahl: Jedes Quark trägt die Baryonen Zahl 1/3

Isospin: Dieser beträgt bei d und u 1/2 während bei s 0

Tab.F1 - Eigenschaften der Quarks

Mit dem Quarkmodell konnten alle Unklarheiten bis auf wenige Ausnahmen ausgeräumt werden. Es bot eine wirklich unkomplizierte Möglichkeit die Eigenschaften aller Hadronen zu erklären. Zum Beispiel die Tatsache, daß alle Mesonen ganzzahligen und alle Baryonen halbzahligen Spin besitzen. Das liegt logischerweise daran, daß Mesonen aus 2 Quarks à 1/2 Spin und Baryonen aus 3 Quarks à 1/2 Spin bestehen.

Wie wir hörten, besitzen alle Quarks und Antiquarks den Spin 1/2. Wie aber können Spinquantenzahlen von 0 zustande kommen? Das liegt daran, daß die Spins entweder in gleicher Richtung und sich somit addieren, oder aber auch in Gegenrichtung und sich somit auslöschen können.

Auch die Tatsache, daß die Mesonen Baryonen Zahl 0 besitzen, ist durch diese Theorie einfach und kurz erklärt: Mesonen bestehen aus einem Quark-Antiquark Paar mit den Baryonen Zahlen von +1/3 und -1/3 - ergibt insgesamt 0.

Die Erhaltung der Seltsamkeit ist nichts anderes als die Erhaltung der s Quarks bei starker Wechselwirkung - ein s Quark kann nicht in ein d oder u Quarks umgewandelt werden.

F - 1.3 Der Beweis kam noch

Das Model war zwar großteils schon anerkannt, doch fehlte noch immer der experimentelle Nachweis. Murray Gell-Mann appellierte sofort nach Veröffentlichung seiner Theorie an die Teilchenbeschleunigerinstitute, nach diesen Quarks Ausschau zu halten, doch konnten niemals Quarks einzeln beobachtet werden - warum?

Die heute allgemein gültige Erklärung lautet folgendermaßen: Die Kraft, welche die Quarks aneinander bindet, ist im Ruhezustand sehr klein wenn nicht sogar null. Dadurch ist auch die Bindungsenergie der Quarks in einem Baryon recht gering bis null. Versucht man jetzt aber ein Quark zu entfernen, wächst diese Kraft mit der Entfernung immer mehr an - daraus folgt, daß die Energie, die benötigt wird um ein Quark zu entfernen, unendlich groß wird. Ist jedoch eine gewisse Energie erreicht, materialisiert ein Quark-Antiquark Paar (Meson) daraus.

Die Masse der Quarks wird heutzutage auf 5 MeV für das u Quark, auf 10 MeV fürs d und auf 200 MeV für das s Quarks geschätzt. Das s Quark ist deswegen so schwer, da die Masse mit der Seltsamkeit zunimmt.

Es sei jedoch auch gesagt, daß, so einleuchtend die Theorie auch für manchen klingen mag, es trotzdem sehr viele Physiker gab, die sich mit dieser neuen Theorie von Kleinstbausteinen nicht abfinden wollten oder konnten - zumindest solange kein Beweis erbracht war.

Dieser Beweis ließ jedoch nicht lange auf sich warten. Seit den späten 60er Jahren führte man an verschiedenen Beschleunigern Versuche mit stationären Protonen durch, die mit energiereichen Elektronen beschossen wurden. Mit Hilfe dieser war es möglich die innere Struktur der Protonen näher zu untersuchen. Ähnlich wie beim Experiment von Rutherford ging der Großteil der Elektronen durch ohne dabei beziehungsweise nur wenig abgelenkt zu werden durch. Ein kleiner Teil jedoch wurde stark abgelenkt beziehungsweise reflektiert. Nach dieser Untersuchung stellt das Proton eine Neutrale Masse dar, in der im Verhältnis zur Größe des Protons sehr kleine Ladungsträger mit dem Spin 1/2 eingelagert sind.

Interessant an solchen hochenergetischen Experimenten ist auch, daß der dabei erzeugte Hadronen Strahl immer in sogenannten "Jets" (Bündel) abgestrahlt wird. Zum Beispiel bei der Kollision zweier Protonen mit einer Gesamtenergie von 63 GeV wird ein Teil der kinetischen Energie in eine gewisse Zahl von neuen Teilchen, die gewöhnlicherweise nahe der Herkunftsrichtung der beiden Protonenstrahlen abgestrahlt werden gesteckt. Abgesehen davon entsteht ein weiterer Jet, der normal zum Teilchenstrahl weggeht (siehe F-1.5). Es handelt sich dabei um ein Drei-Jet-Ereignis. Solche Jets zeigen die Gegenwart von etwas Kleinem sehr Hartem in der inneren Struktur an. Heutzutage werden solche Jets als eine Kopf an Kopf Kollision zweier Quarks (je eines von einem Proton) interpretiert.

Anders jedoch bei der Vernichtung eines Elektron-Positron Paares. Hierbei kommt es zu einem sogenannten Zwei-Jet-Ereignis, das heißt, es werden die dabei entstandenen Teilchen nur in 2 entgegengesetzten Richtung abgestrahlt. Dies wird so erklärt, daß als erstes nur ein Quark-Antiquark Paar erzeugt wird, das sich voneinander weg bewegt. In der Folge ziehen diese Quarks aber einen richtigen Quark-Zug hinter sich her, und es kommt zur Bildung von Hadronen, die aufgrund der Erhaltungssätze sich in dieselbe Richtung bewegen müssen. Der Winkel zwischen den beiden Jets ist ein eindeutiges Zeichen dafür, daß der Spin der Quarks 1/2 betragen muß.

F - 1.4 Die Quarks erhalten Farbe

Wie wir schon gehört haben gibt es Hadronen wie zum Beispiel das Omega Minus (sss) oder die Lambda Teilchen (D ⁺⁺ (uuu) - D ^- (ddd)) die aus 3 identischen Quarks mit jeweils denselben Quantenzahlen aufgebaut sind. Doch haben wir auch schon etwas über das Pauli-Ausschließungsprinzip gehört. Demnach ist es für 2 oder mehr Hadronen derselben Art nicht möglich, nebeneinander mit denselben Eigenschaften zu existieren. Da stellt sich natürlich die Frage - müssen auch die Quarks diesem Ausschließungsprinzip gehorchen? Nach heutigen Erkenntnissen ist diese Frage mit "ja" zu beantworten. Dieses Problem wurde von Y. Nambu und M.Y. Han gelöst. Ihnen zu Folge existiert noch eine weitere Quantenzahl, die sie als Farbe bezeichneten. Für jedes Quark gibt es 3 verschiedene Farben, die sie einnehmen können: Gelb, rot und blau. Die Summe aller in einem Hadron vorkommenden Quark muß aber immer weiß oder farblos ergeben. Das heißt, daß in Hadronen zum Beispiel die Kombination rot, blau und gelb möglich ist. Bei Mesonen, die ja aus einem Quark-Antiquark Paar bestehen sieht es wie folgt aus: Die Antiquarks besitzen sogenannte Antifarben (antirot, antigelb, antiblau). Demnach besteht ein Meson zum Beispiel aus einem roten und einem antiroten Quark, was gesamt gesehen farblos ergibt.

Die Farbe dient zwar dazu das Ausschließungsprinzip zu erfüllen, hat jedoch keinen Einfluß auf die Klassifizierung der Teilchen oder auf Wechselwirkungen.

F - 1.5 Ein Superklebstoff - die Gluonen

Den laufenden Theorien entsprechend, ist die Kraft, welche die Quarks im Inneren der Hadronen zusammenhält, eine farbbedingte Kraft. Das heißt, daß sie zwischen Hadronen, die ja nach außen hin farblos sind, keine Wirkung zeigt. Diese Farbkraft bekam den Namen "Chromodynamische Kraft" und die Theorie dazu wird "Quantem Chromodynamic (QCD)" genannt. Demnach sind die Überträger der Kraft die Gluonen (von engl. glue = Kleber), wovon es insgesamt 8 verschiedene gibt. Allen gemeinsam ist die elektrische Ladung 0 und der Spin 1. Sechs dieser acht Gluonen tragen jeweils eine Farbe und eine Antifarbe (G_rb, G_ry, G_br, G_by, G_yr, G_yb) und zwei der Gluonen sind Farblos - sie tragen jeweils eine Farbe mit der entsprechenden Antifarbe (G₀ und G₀').

Das Besondere an diesen Gluonen ist, daß sie gegenseitig ebenso eine Kraft aufeinander bewirken - somit können sie richtige Ketten bilden und das ist auch der Grund dafür, daß die Kraft mit zunehmenden Abstand steigt.

Dies ist zwar wieder eine Theorie, die plausible Erklärung liefert, doch wo bleibt wieder einmal der Beweis? Ein direkter Beweis, sprich ein eindeutiger Nachweis eines freien Gluons ist bisher noch nicht gelungen. Wohl aber ein indirekter: Bei Streuversuchen von Elektronen an Protonen fand man heraus, daß die Quarks nicht den gesamten Impuls tragen sondern etwa nur die Hälfte. Der Rest wird von elektrisch neutralen Teilchen getragen - den Gluonen, welche nach der QCD ständig zwischen den Quarks ausgetauscht werden. Ein ähnliches Resultat wurde bei Streuversuchen mit Pionen erzielt - demzufolge müßten die Gluonen 60% des gesamten Impulses tragen.

Weiter oben (siehe F - 1.3) haben wir schon einmal von 2 und 3 Jet Ereignissen gesprochen. Die Erklärung wieso es zwischendurch zu einem dritten Jet kommt lautet folgendermaßen: Der QCD entsprechend emittiert bei Energien >20 GeV eines der Quarks ein Gluon. Diese Gluon kann aber genauso wie die Quarks nicht lange bestehen - es produziert seinen eigenen Hadronen Zug und das entspricht dem dritten Jet. 1979 konnte das erste Mal ein so ein Ereignis am Speicher Ring PETRA am DESY beobachtet werden.

F - 1.6 Charm - ein weiteres Quark um der Symmetrie gerecht zu werden

Neben den 3 bis hierher bekannten Quarks, wurde die Existenz eines Vierten von S.L. Glashow und J.D. Bjorken vermutet. Dies begründeten sie aufgrund einer Symmetrie, die zwischen den Leptonen und den Quarks (beide sind "die" elementaren Teilchen) vorherrschen soll. Die Tatsache, daß es vier Leptonen gibt (Elektron, Müon und die entsprechenden Neutrinos) war für sie ausschlaggebend an die Existenz eines vierten Quarks zu glauben.

Die Theorie erlaubte eine recht genaue Beschreibung der Eigenschaften dieses vierten Quarks: Elektrische Ladung von +2/3, Seltsamkeit 0 und eine deutlich größere Masse als die anderen 3 Quarks. Ebenso wurde vermutet, daß dieses unbekannte Quark wie das s Quark eine Eigenschaft wie die Seltsamkeit tragen muß. Eine Eigenschaft, die nur bei Starker- und Elektromagnetischer Wechselwirkung erhalten bleiben soll - sie bekam den Namen "CHARM" und das Quark selbst den Namen "charmed Quark" mit dem Buchstaben "c".

Die Hoffnung lag nun darin ein Charmantes Teilchen experimentell nachzuweisen. Dies gelang erstmals im Herbst 1974 in zwei voneinander unabhängigen Gruppen. Die eine Gruppe arbeitete mit Elektronen-Positronen Vernichtung. Die andere mit Kollisionen von Protonen auf einem Beryllium Target.

Durch die Anwendung von "Magnetischen Detektoren" war es erstmals möglich das Verhältnis von jenen Vernichtungen, aus denen Hadronen und jenen, aus welchen  Müonen hervorgehen, zu bestimmen. Der Quanten-Elektrodynamik entsprechend ist die Wahrscheinlichkeit der Erzeugung bestimmter Teilchen proportional zum Quadrat seiner Ladung. So ist es möglich das Verhältnis R auszurechnen. Dieses R entspricht der Summe der Quadrate von allen Quarks, die in dieser Vernichtungsreaktion entstehen können. Wenn wir von 3 Quarks ausgehen mit Ladungen von jeweils -1/3, -1/3 und +2/3 erhalten wir für R = (-1/3)² + (-1/3)² + (2/3)² = 2/3. Bei unserem Beispiel würde das bedeuten, daß das Verhältnis von erzeugten Hadronen zu Müonen bei 2 zu 3 liegt. Wenn wir aber das Farbenmodell auch mit einbeziehen steigt die Anzahl der Quarks und R ist dann 2 (auf jedes entstandene Müon kommen zwei Hadronen). Sollte es auch noch ein viertes Quark (das c - Quark) geben, so erhalten wir für R = 3 1/3. In der Folge unternahm man verschiedene Experimente um R auch experimentell zu bestimmen. Dabei kam jedoch zum Erstaunen der Forscher heraus, daß R bei 2 bis 2,5 liegen müßte. Eine Zahl, die eher dem Quarkmodell mit 3 verschiedenen Quarks entsprach. Im August 1974 untersuchte Richter noch einmal diese Resonanz die bei einer Masse von ungefähr 3,1 GeV lag. Diesmal steigerte er jedoch die Energie der beiden Teilchenstrahlen, die diese Reaktion dann schlußendlich auslösen sollten, immer nur um 2 MeV statt 200 MeV. Dabei kam er zu einem erstaunlichen Ergebnis: Bei einer Energie von 3,1 GeV zeigte der Detektor einen hundertfachen Anstieg der Rate der Hadronen Entstehung.

F - 1.7 J, Psi und Charmonium

Weitere Untersuchungen, die Richter durchführte, ergaben für diese Resonanz beziehungsweise dieses kurzlebige Teilchen, daß es sich dabei um ein elektrisch neutrales Meson mit dem Spin 1 handelt. Die Lebensdauer liegt bei ungefähr 10^-20 Sekunden. Dieses Meson konnte entweder in ein Elektron-Positron Paar zerfallen oder auch in Hadronen. Da es von 2 Gruppen unabhängig voneinander praktisch gleichzeitig entdeckt wurde, bekam es zwei Namen: Psi (y ) und J. Heute ist allgemein die Bezeichnung Psi oder J/y üblich.

Die Entdeckung dieses Teilchen wurde von großer Aufregung seitens der Wissenschaftlichen Gemeinschaft begleitet. Theoretiker versuchten mit einer Reihe von Ansätzen dieses Teilchen zu erklären doch die meisten dieser wurden schnell als falsch erkannt. Beim Psi-Teilchen handelt es sich um nicht anderes als um ein Meson, das aus den sagenumwobenen Charmanten Quarks aufgebaut ist (cc). Da es aus einem charmanten Quark und dessen Antiquark aufgebaut ist, ist der Gesamt-Charm 0. Eine Besonderheit dieses Teilchen liegt darin, daß alle Eigenschaften gleich denen des Photons sind und es so direkt aus einem Photon hervorgehen kann. Das J/y wurde jedoch schon früher von Thomas W. Appelquist und David Politzer vorausgesagt - sie gaben ihm den Namen Charmonium.

Erstaunlich ist auch die Lebensdauer, die 1000 Mal länger ist als erwartet. Das liegt daran, daß der "Geschmack" eines Quarks (Geschmack ist zum Beispiel bei s - Quark - seltsam) nur durch die Schwache Wechselwirkung verändert werden kann und dadurch ist eine Starke Wechselwirkung nur durch die Vernichtung des charmanten Quark-Antiquarkpaares möglich - das jedoch ist ein relativ langsamer Prozeß.

Durch weitere Experimente konnte der Spin von Psi auf 1 und die Parität als negativ definiert werden. Die beiden Quarks im Psi besitzen Parallelen Spin. Aufgrund der Masse von Psi (3097 MeV) wurde die Masse des charmanten Quarks auf ungefähr 1,5 GeV festgelegt.

Wir haben zwar schon von einem Teilchen gehört, das charmante Quarks enthält, doch ist dieses gesamt gesehen ohne Charm. Nun aber war man auf der Suche nach einem Teilchen, dessen Gesamt-Charm nicht Null ist. Diese Suche aber sollte sich als relativ lang und schwierig erweisen. Durch die Lebensdauer von ungefähr 10^-13 Sekunden, die man von einem Charmanten Teilchen erwartete, war es unmöglich solche Teilchen anhand von Blasenkammerspuren zu identifizieren. So mußte man sich darauf konzentrieren Charmante Teilchen anhand ihrer Zerfallsprodukte zu finden und zu identifizieren. In den Jahren 1975-76 wurden dann einige Entdeckungen gemacht, die auf die Existenz solcher Teilchen zurückzuführen waren.

Schließlich war es soweit und man konnte mehrere "charmante" Resonanzen identifizieren: D⁰ (1865 MeV), D⁺ und D^- (je 1869 MeV - bestehend aus cd und cd), L ⁺_c (auch ein charmantes Baryon wurde gefunden - udc). Schließlich fand man auch noch Teilchen die Charmant und Seltsam gleichzeitig waren: D⁺_S und D^-_s (aus cs und cs aufgebaut).

Die Frage, die sich nun den Forschern stellte war: "War das jetzt das Ende oder gibt es noch weitere Quarks?" Ein Antwort auf diese Frage war schnell gefunden: Im Sommer 1977 entdeckte man am Fermilab einige neue extrem schwere Teilchen mit Massen von ungefähr 10 GeV - sie bekamen den Namen Ypsilon (¡ ). Da man anhand der bisher bekannten Quarks solche Teilchen für unmöglich halten mußte, war es bald klar, daß es noch mindestens ein weiteres Quark geben muß - das "b" - Quark ("bottom" oder auch "beauty"). Das Ypsilon war demnach ein Meson aus einem Quark-Antiquarkpaar des "b" - Quarks.

Durch Untersuchungen des Ypsilon und der Zerfallsprodukte konnte man auch auf die Eigenschaften des neuen Quarks schließen: Die elektrische Ladung beträgt -1/3, es trägt genauso wie das "b" und "s" eine besondere Ladung, die in Starken und Elektromagnetischen Wechselwirkungen erhalten wird. Diese Ladung, oder auch Geschmack (engl. flavour) wurde mit dem Buchstaben "B" definiert (für "beauty" oder "bottom"). Die Masse wird auf etwa 4,7 GeV geschätzt, wobei das der dreifachen Masse des "c" - Quarks entspricht.

Ebenso, wie kurz nach der Entdeckung des charmanten Quarks, war man nun auf der Suche nach Teilchen, bei denen sich diese Ladung B nach außen hin nicht aufhebt. Solche Teilchen, wie zum Beispiel das B Meson, wurden vor allem in Elektron-Positron Vernichtungen gesucht und auch gefunden: e⁺e^- Þ BB

Die Zerfallsreihen dieser Teilchen, mit einer Masse von 5279 GeV und einer Zerfallszeit von 1,3x10^-12 Sekunden, lauten wie folgt: B^- Þ D⁰ + p ^-

D⁰ Þ K^- + p ⁺

B⁰ Þ D⁰ + p ⁺ + p ^-

Als Ergänzung zu diesem Quark Modell mit fünf Quarks sollte sich noch ein sechstes gesellen: Das "Top" oder auch "Truth" ("t") - von 1987 bis 1994 betrieb man am Fermilab intensive Untersuchungen um ein tt Meson zu finden. 1994 konnte dann nach mehrjähriger Auswertung von Untersuchungs-ergebnissen die erste konkrete auf experimentelle Daten begründete Aussage zur Existenz des "t" - Quarks gemacht werden: Die Wahrscheinlichkeit, daß es sich bei den 12 in Frage kommenden Reaktionen um mindestens einen tt Zerfall handelte betrug 99,74%. Am 2. März 1995, gut hundert Jahre nachdem Thomson das Elektron entdeckt hatte, konnte man mit Gewißheit die Existenz des Top - Quark bestätigen.

Bis zu diesem Zeitpunkt (1975) waren nur 4 Leptonen bekannt (das Elektron, das Müon und die beiden dazugehörigen Neutrinos). 1975 entdeckte jedoch eine Gruppe um Martin Perl in Stanford ein weiteres geladenes Lepton - das Tau (t ). Eine Besonderheit an diesem Lepton war auch seine Masse - im Gegensatz zu seinem Namen (lepton = griech. leicht) besitzt das t ungefähr die doppelte Masse des Protons. Durch die nur kurze Lebensdauer war das t nur schwer zu identifizieren. Man verwendete deswegen Methoden wie beim Untersuchen von Resonanzen. Ebenso wie beim Elektron und beim Müon vermutete man beim Tau ebenso ein Neutrino, das zum Beispiel bei den folgenden Zerfallsreaktionen entstehen müßte:

e⁺ + e^- Þ t ⁺ + t ^-

In der Folge wurde das Tau an verschiedenen Teilchenbeschleunigern untersucht, und seine Masse wurde als 1784 GeV bestimmt - die Lebensdauer beträgt 3,1x10^-13 Sekunden.

Um noch einmal auf die, schon früher in dieser Arbeit besprochenen Neutrinos zurück-zukommen, sei hier eine kleine Ergänzung angebracht: Eine Frage die die Physiker beschäftigt, handelt darum, ob die Masse des Neutrinos null oder sehr klein (10eV) ist. Vor allem für die Astrophysik ist diese Frage von großer Bedeutung - sie sind auf der Suche nach der fehlenden

Masse im Universum. Diese könnte zum Beispiel in Form von "Dunkler Materie" vorhanden sein - eine Masse die nicht direkt gemessen werden kann, aber trotzdem die Gravitation beeinflußt. Eine Frage die vor allem Theorien um das Ende des Universum beschäftigen: Sollte es diese Masse in Form von "Dunkler Materie" wirklich geben, so wäre ein End-Knall die Folge - das Ende unseres Universums (natürlich erst in Milliarden Jahren).

Den neuesten Erkenntnissen zu Folge soll die MSW Theorie sich als richtig erweisen (MSW Theorie - von Stanislaw P. Mikheyev, Aleksey Y. Smirnov und Lincoln Wolfenstein). Diese besagt, daß es sich bei Neutrinos um Masseteilchen handelt, auch wenn diese Masse auf den ersten Blick vernachlässigbar klein ist.

Die Suche nach den Vektorbosonen - in den späten 70er Jahren eine "Mission Impossible". Die Massen der Intermediären Vektorbosonen (W⁺, W^- und Z⁰) betrugen den Berechnungen zufolge je mehr als 80 GeV - die Teilchenbeschleuniger waren nur einen Bruchteil davon zu leisten imstande. Um diese Art von Bosonen zu erzeugen bräuchte man einen Elektronen-Positronen Beschleuniger mit einer Gesamtenergie von 160 GeV - 170 GeV oder einen pp mit ungefähr 500 GeV. Trotz dieses gewaltigen Mehr- aufwands an Leistung wurde die Methode mit dem Proton-Antiproton Speicher Ring vorgezogen. Unabhängig voneinander wurden zwei solche Anlagen am Fermilab und am CERN installiert. Es sollte jedoch bis 1983 dauern, bis man die ersten Ergebnisse verzeichnen konnte: Die ersten Hinweise auf die Intermediären Vektorbosonen waren gefunden. Ganz genau genommen suchte man nach folgenden Zerfallsprodukten:

W⁺ Þ e⁺ + v_e und W^- Þ e^- + (Anti-)v_e

Bei insgesamt 140000 festgehaltenen Kollisionen waren davon nur 39 brauchbar, sprich lieferten konkrete Hinweise auf die Existenz der Vektorbosonen. Davon waren aber  wiederum nur 5 Vorfälle konkrete W^- - Zerfälle (W^- Þ e^- + (Anti)-v_e) und nur einer  entsprach der Zerfallsreaktion W^+Þ e⁺ + v_e. Die Masse der W-Teilchen konnte auf 80,2 GeV festgelegt werden. Bei der Suche nach Z⁰ Ereignissen konzentrierte man sich vor allem auf folgende Vorfälle: Z⁰ Þ e⁺ + e^- und Z⁰ Þ m ⁺ + m ^-. Mitte des 83er Jahres konnten solche Vorfälle schlußendlich auch verzeichnet und die Masse von Z⁰ auf 91,18 GeV festgelegt werden. Interessant an diesen Ergebnissen ist auch, daß die theoretisch vorausgesagten Werten sehr gut mit den tatsächlichen übereinstimmen.

Das Bild der heutigen Physik wird vor allem von einer Anhäufung von Theorien geprägt, welche die Identität und die Eigenschaften der grundlegenden Bausteine der Materie und die Kräfte zwischen diesen Bausteinen erklären. Die Gesamtheit all dieser Theorien nennt sich "Standard Modell" der Teilchenphysik.

Hier kurz die wichtigsten Aussagen dieses Modells:

· Die grundlegenden Bausteine der gesamten Materien sind die Quarks und die Leptonen. Sie erscheinen Punktförmig (kein Volumen) und der wesentliche Unterschied zwischen diesen beiden Gruppen liegt darin, daß nur die Quarks von der Starken Kraft beeinflußt werden (Quantenchromodynamik - siehe F - 1.5).

· Die Grundkräfte werden von Teilchen mit ganzzahligem Spin (Bosonen) übertragen - sie haben den Namen "intermediäre Bosonen".

· Die Starke Kraft wird durch die QCD (Quantenchromodynamik) beschrieben und passiert auf den Farbkräften zwischen den Quarks und den 8 Gluonen welche die Kraft übertragen.

· Die Elektroschwache ist eine vereinheitlichte Theorie für die Elektromagnetische- und die Schwache Kraft. Sie vereinigt die Kräfte aber erst bei Energien von über 200 GeV - erst dann hat die Schwache Kraft die selbe Stärke wie die Elektromagnetische.

· Die Gravitationskraft wird im Standard Modell nicht berücksichtigt, da eine Erklärung aus quantenmechanischer Sicht bisher nicht geglückt ist. Eine passendere Erklärung liefert die allgemeine Relativitätstheorie von Einstein.

 Die Physikalische Grundlage des Standard Modells ist die Quanten Feld Theorie (QFT - "quantum field theory"). Sie erklärt zum Beispiel wie ein generelles Feld anhand der Prinzipien der Quantenmechanik und der speziellen Relativitätstheorie beschrieben werden kann. In der QFT gibt es zwei grundlegende Ideen: Die Lokale Gaug'sche Symmetrie und den spontanen Symmetrie Bruch.

Gaug'sche Symmetrie: Ein System in welchem die Feld Gleichungen unabhängig vom Ort und der Zeit sind.

Symmetrie Bruch: Ein Beispiel dafür wäre die Elektroschwache Kraft - sie passiert auf der Symmetrie zwischen den Trägerteilchen beider Kräfte (der Schwachen und der Elektromagnetischen). Die Symmetrie erscheint jedoch in der Natur bei normalen Bedingungen nicht, da die Massen der Trägerteilchen der Schwachen Kraft (W^+/- und Z⁰) nicht wie der des Photons null sind. Anders war es beim Urknall - bei den, zu diesem Zeitpunkt vorherrschenden Energie, waren alle vier Teilchen masselos - darauf ist die Symmetrie gebrochen.

  F - 4.2 Die Higgs Teilchen

Eine Erklärung für diesen Symmetrie Bruch lieferte Peter Higgs - ihm zufolge soll es ein weiteres Feld geben, das überall besteht. Das Teilchen für diese Kraft nennt sich Higgs-Boson. Dabei handelt es sich um ein Teilchen mit Masse (ungefähr 160 GeV), das jedem Teilchen, mit dem es wechselwirkt, Masse überträgt. Demnach müßte es mit dem W⁺,W^- und Z⁰ wechselwirken und somit für deren Masse verantwortlich sein. Mit dem Photon (ein masseloses Teilchen) hingegen geht es keine derartige Beziehung ein.

Das Standard Modell kann zwar den meisten Anforderungen gerecht werden, jedoch gibt es einige Fragen auf die es keine Antworten weiß. Zum Beispiel erklärt das Standard Modell nicht, wieso die Quarks und Leptonen die Masse, die sie besitzen, haben, oder warum es nur 6 und nicht mehr Quarks gibt.

Ein Versuch solch grundlegende Fragen zu klären, betraf die möglicherweise vorhandene innere Struktur von Quarks und Leptonen. Entsprechend der neuesten experimentellen Daten sind diese Teilchen in der Tat elementar, aber trotz allem gab es immer wieder neue Anläufe ein System zu konstruieren. Eines dieser Modell wurde 1979 von Haim Harari entwickelt. Ihmzufolge soll es 2 elementare Teilchen (Rishonen genannt - "T - Tohu" und "V Vohu") geben, aus denen alle Quarks und Leptonen aufgebaut sein sollen. Jedoch schlug dieser Versuch mit der Entdeckung der dritten Quark Generation fehl.

Ein anderer Ansatz die Frage nach der Masse zu lösen stammt von Peter Higgs (siehe oben).

Eine Frage, die Physiker schon seit der Entdeckung der Grundkräfte beschäftigt, ist die Frage nach der Vereinigung derselben. Zur Zeit beschäftigt vor allem die Vereinigung der Elektroschwachen und der Starken Kraft die Forscher. Dabei handelt es sich um Theorien unter dem Titel "Grand Unification" (große Vereinigung) oder auch "Grand unified theories" (GUT). Beweise für die Richtigkeit dieser Theorien waren auch bald gefunden - Berechnungen haben gezeigt, daß ab Energien von 10¹⁶ GeV die Elektroschwache und die QCD gleich stark werden.

Eine weitere Bestätigung der Richtigkeit liefern Voraussagen die mit Hilfe der GUTs getroffen werden können. Zum Beispiel die Instabilität des Protons - GUTs sagen für Protonen eine begrenzte Lebensdauer voraus, was nach heutigem experimentellen Stand auch für recht wahrscheinlich gehalten wird (siehe Abb.F24).

Eine aber heutzutage weit populärere Theorie ist die sogenannte "Supersymmetrie". Dieses Modell passiert auf einer möglichen Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen. Demnach soll jedes Quark und jedes Lepton ein Boson als Partner haben. Diese "Superteilchen" haben den Namen "squarks" und "sleptonen". Berechnungen zufolge liegen die Massen dieser Superteilchen zwischen 0,3 und 1 TeV. Diese supersymmetrische GUT wird "SuperGUT" oder "SUSY-GUT" genannt. Auf einen Beweis müssen wir aber mindestens noch solange warten, bis es der Standard der Teilchenbeschleuniger zuläßt, so massereiche Teilchen zu erzeugen.

Nebenbei war man auch auf der Suche nach einer kompletten Vereinheitlichung aller 4 Grundkräfte - eingeschlossen die Gravitationskraft. Die vielversprechendsten berufen sich auf zusätzliche im Raum versteckte Dimensionen. Theodor Kaluza und Oskar Klein konstruierten ein solches Modell - es bestand aus einer zusätzlichen fünften Dimension - sie zeigten, daß entsprechend ihrem Modell die elektrische Ladung als Impuls in dieser fünften Dimension betrachtet werden kann.

In den 70er und 80er Jahren unternahm man mehrere Versuche, mit Hilfe solcher Theorien die GUT mit der Gravitationskraft zu vereinen. Einige Probleme ergaben sich jedoch, da man zum Beispiel nicht in der Lage war und ist die Gravitationskraft in Begriffen der Quantenmechanik zu erklären. Auf der anderen Seite ergaben jedoch Berechnungen, daß bei Energien von über 10¹⁹ GeV die Gravitation genauso stark wie die restlichen Kräfte wird.

Die heutzutage wohl vielversprechendsten Theorien sind die sogenannten "Quanten Superstrings" (QSS). Dabei nimmt man an, daß es sich bei den Quarks und den Leptonen um schmale, vibrierende Bänder sogenannte "Strings" handelt - und ähnlich wie bei den Kaluza - Klein Theorien gibt es zusätzliche versteckte Dimensionen in der Raum-Zeit (dabei handelt es sich um bis zu 32). Diese versteckten Dimensionen sind deswegen notwendig um Unendlichkeiten und Tachyonen (Teilchen die sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen) auszuräumen.

Bemerkentswerterweise sagten auch diese Theorien ein masseloses Teilchen mit Spin 2 voraus - ein Teilchen, das noch nie gesichtet werden konnte. 1974 jedoch schlugen John Schwartz und Joel Scherk vor, daß es sich dabei um das Graviton handeln könnte. Doch erst 1984 wurde das Interesse an dieser Theorie größer - durch Verwendung von 10 Dimensionen konnte man endlich ein System definieren, das nicht mit Unendlichkeiten zu kämpfen hat. Die Hoffnungen, die man auf diese neuen Entwicklungen setzte sind auch aus dem Namen ersichtlich: "Theory of Everything" (TOE). Dieser Enthusiasmus war aber bald verflogen, denn als man versuchte diese Theorie für Berechnungen oder Voraussagen im normalen Raum anzuwenden, stieß man auf die Grenzen der Theorie. Weitere Probleme bestanden darin, daß diese Theorien zu flexibel waren - sie paßten sich dem Ergebnis an. Trotz allem hofft man noch immer, daß man vielleicht doch noch eine Theorie formulieren kann, die als Theory of Everything angesehen werden kann.

Wir haben auf den letzten Seiten eine Reise durch mehrere Jahrzehnte unternommen - eine Reise durch die Geschichte und die Entwicklung des Atom- beziehungsweise des Teilchenmodells. Es stellt sich natürlich die Frage: "Was wird uns die Zukunft bringen?" Werden wir vielleicht eines Tages erkennen, daß es noch elementarere Bestandteile der Materie als Quarks und Leptonen gibt? Wie weit wird die Entwicklung der Teilchenbeschleuniger noch gehen - welche Energien werden wir erreichen? Werden wir eines Tages wirklich eine "Theory of Everything" finden? Fragen, die man heutzutage nicht mit Sicherheit beantworten kann. Die Teilchenphysik ist eine Wissenschaft, die präzise Voraussagen für die Zukunft fast unmöglich macht. Genausowenig wie Rutherford jemals an die Existenz von Quarks gedacht hat, genauso- wenig können wir uns vorstellen wie die Elementarteilchenphysik in 100 Jahren aussehen wird.

Eines kann man aber mit Sicherheit sagen - wir sind sicher noch nicht am Ende angekommen. Auf uns warten Jahrzehnte mit phantastischen Entdeckungen und enormen Fortschritt - doch wohin und wie weit uns dieser Fortschritt führen wird - das werden wir erst in der Zukunft beurteilen können.....!

 Also,...was kommt nach den Quarks ?...