Das Ausfrieren der vier fundamentalen Kräfte des Universums, Teil 1  

Das Ausfrieren der vier fundamentalen Kräfte des Universums, Teil 1  

Im letzten Blog, der sich mit dem Ablauf des „Urknalls“ beschäftigte (https://cosmoblog.space/der-sog-heisse-urknall/), haben wir besprochen, wie sich die ersten -subatomaren- Partikel durch Ausfrieren aus dem superheissen Plasma gebildet haben. Jedes Elementarteilchen erscheint bei seiner charakteristischen Schwellentemperatur im sich langsan abkühlenden Universum. Die allerersten Teilchen waren die Bausteine von späteren Atomkernen, die Fermionen wie auch die Kräfte übertragenden Partikel, die Bosonen. Zuallererst kamen Quarks und Gluonen. Gleichzeitig entstanden die leichten Teilchen (Leptonen), die nicht Bestandteil des Atomkens sind: Elektronen und Neutrinos.

Quarks und Gluonen: die ersten ausgefrorenen Fermionen und Bosonen

Quarks und Gluonen sind die Bestandteile von Protonen und Neutronen. Obwohl sie in gegenseitiger Abhängigkeit untrennbar miteinander verbunden sind, gehören sie grundverschiedenen Klassen an. Während Quarks die eigentlichen Bausteine von Protonen und Neutronen sind, gehören Gluonen der Klasse der Kräfte vermittelnden „Teilchen“ an, die als Bosonen bezeichnet werden Was heisst das?

Ebenso wie die Fermionen entstehen die Bosonen sukzessive bei der expansionsbedingten Abkühlung des Universums, das heißt sie erscheinen unterhalb einer spezifischen Schwellentemperatur, die für jede Bosonenart anders ist. Oberhalb dieser Temperatur existieren sie im superheißen Plasma und sind, wie alle Partikel, unter diesen Bedingungen masselos. Unmittelbarst nach dem Urknall gilt dies für sämtliche Teilchen, Fermionen und Bosonen. Unter diesen – unvorstellbaren! – Bedingungen waren, wie man heute annimmt, alle Elementarteilchen nicht nur masselos, sondern bei der ungeheuren Energie auch ineinander umwandelbar, und zwar nicht nur die Fermionen und Bosonen, sondern auch die Fermionen in Bosonen und umgekehrt. Der Schluss, den Astrophysiker hieraus ziehen ist, dass es nur eine einzige vereinheitlichte Kraft gibt, die sich bei Abkühlung des Universums erst sukzessive aufspaltet und so zu den uns bekannten vier Grundkräften führt.

Zunächst sehen wir uns jetzt unter diesem Aspekt die einzelnen Kräfte beziehungsweise Bosonen an. Diese vier Kräfte könnten verschiedener nicht sein. Es sind die Gravitation, die starke Kernkraft, die schwache Kernkraft und der Elektromagnetismus.

Die Gravitation

Wie wirken diese Kräfte? Die Gravitation ist die rätselhafteste Kraft überhaupt.  Sie fügt sich nicht in das Standardmodell der Teilchenphysik ein und bedarf einer gesonderten Beschreibung, die noch nicht gefunden ist. Noch ist sie im Gegensatz zu den drei anderen Kräften durch eine Quanten-Feldtheorie beschreibbar. Nur eines scheint klar: Sie hat sich bereits nach der theoretisch kürzest- möglichen Zeit, nämlich der Planck-Zeit bei 10-43 Sekunden abgespalten, also bereits am Ende der kosmischen Inflation. Es ist offen, ob sie überhaupt Teil einer vereinheitlichten Urkraft war.

Sie bildet aber, wie alle anderen Kräfte auch, ein Kraftfeld, nämlich das Gravitationsfeld. Entsprechend wird ihr auch ein assoziiertes Boson, das Graviton, zugeordnet. Nur hat noch niemand es je nachgewiesen. Es muss wie alle Bosonen eine geradzahlige Spinzahl haben, in diesem Fall 2 (mehr dazu weiter unten).

Die Gravitation wirkt als universelle Anziehungskraft und ist jeder Masse zueigen. Je grösser die Masse umso stärker ihre Gravitation auf andere Massen. Einstein hat in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie gezeigt, dass Gravitation eine Krümmung der Raumzeit bewirkt. Das gilt ohne Einschränkung für Masse und Energie, da diese ja nach der berühmten Einsteinformel E=mc2 ineinander umwandelbar sind. Die Gravitation hält die Planeten auf ihrer Bahn um die Sonne und uns auf der Erde. Nichtsdestoweniger ist die Gravitation die schwächste der vier Grundkräfte und besitzt eine unbegrenzte Reichweite, die -nach Newton- mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, aber theoretisch nie Null wird. Gravitation und Elektromagnetismus (den wir weiter unten besprechen) wirken weit in den uns geläufigen makroskopischen Bereich hinein, also über grosse Entfernungen; bei der Gravitation sogar bis ins „Unendliche“.

Die starke Kernkraft

Die starke und die schwache Kernkraft, die wir im Folgenden behandeln, wirken subatomar und sind somit auf den Durchmesser eines Atoms begrenzt. Die starke Kernkraft fror ca. 10-35 Sekunden nach dem heissen Urknall aus dem superheissen Plasma aus. Sie hält die Quarks zusammen und wird durch die Gluonen übertragen, die damit die zugehörigen Bosonen sind. Interessanterweise sind nach dem Ausfrieren der starken Kernkraft die Quarks noch nicht ausgefroren. Das passiert erst 10-3 Sekunden nach dem Urknall. Danach sind Quarks und Gluonen in Protonen, Neutronen und Mesonen gebunden. Die starke Kernkraft beginnt zu wirken.

Die Rolle der „Farbladungen“

Eine Eigenschaft der Quarks ist das Tragen von sogenannten Farbladungen.  Dies ist eine weitere Quarks charakterisierende Quantenzahl. Andere sind z.B. die elektrische Ladung oder derSpin. Im Gegensatz zu letzteren ist die Fabladung nicht experimentell verifizierbar. Nchtsdestoweniger ist die Farbe der Quarks eine intrinsische Quantenzahl, die die drei existierenden Quarkfamilien unterscheidet. Die – von phantasievollen Physikern erdachten – Farben sind rot, grün und blau. Allerdings haben sie mit Farben nichts zu tun.

Auch die Gluonen tragen Farbladung, und zwar je eine Farb- und eine Antifarbladung. Beim Wirken der starken Kernkraft werden Farbladungen ausgetauscht. Die Änderung der quantenmechanischen Eigenschaften der Quarks während des Austauschs muss nach dem Standardmodell durch eine entsprechende Änderung der Eigenschaften der vermittelnden Teilchen, also der Gluonen, kompensiert werden. Der Austausch von Gluonen zwischen Quarks, der die starke Kernkraft darstellt, ist also von einem Austausch von Farbladungen begleitet.

Zwei Arten von Elementarteilchen: Materie bildende und Kräfte vermittelnde

Am Beginn des Urknalls lag die Temperatur, wie wir gesehen haben, bei unvorstellbaren zirka 1032 Kelvin. Zu dieser Zeit gab es ausschließlich das superheiße Plasma. Teilchen, sofern sie überhaupt schon gebildet wurden, waren masselos und wurden ebenso schnell vernichtet wie sie entstanden. Innerhalb dieses Zeitraums bildete sich das Quark-Gluonen-Plasma, und alle drei Grundkräfte waren in einer einzigen »Superkraft« vereinigt. Lediglich die Gravitationskraft war bereits abgespalten und bedarf einer absoluten Sonderbehandlung. Ab etwa einer Nanosekunde nach dem Urknall bis zu zirka einer Millisekunde danach gab es freie Quarks und Gluonen, welche dann irreversibel in Atomkernen gebunden wurden. Die allerersten Elementarteilchen (Fermionen) waren also die Quarks, und das allererste Vektorboson (ein Kraft vermittelndes Teilchen) war das Gluon. Wir haben also hier schon die Unterscheidung der Elementarteilchen in Materie bildende und Kräfte vermittelnde Teilchen. Sie bilden alle Atomkerne, deren allererstes das Proton war. Zusammengehalten wird es durch die starke Kernkraft, die von den Gluonen ausgeübt wird und die Eigenschaft hat, mit wachsender Entfernung zuzunehmen. Deshalb gibt es keine freien Quarks mehr, und deshalb wurde auch noch nie ein Protonen Zerfall beobachtet.

Der Elektromagnetismus

Die zweite uns aus dem Alltag geläufige Kraft nach der Gravitation ist der Elektromagnetismus. Elektrizität und Magnetismus wurden zunächst als zwei verschiedene Kräfte wahrgenommen. Mitte des 19. Jahrhunderts gelang es dem genialen Physiker James Clerk Maxwell, beide Kräfte zu vereinigen und die Existenz eines elektromagnetischen Feldes zu beweisen. Jedes elektrische Feld erzeugt gleichzeitig ein Magnetfeld und umgekehrt. Maxwell erkannte auch, dass es sich bei Licht um eine elektromagnetische Welle handelt, die sich immer und überall mit der gleichen Geschwindigkeit, nämlich der Lichtgeschwindigkeit, fortbewegt. Allerdings ist die elektromagnetische Kraft nicht als solche ausgefroren. Nach dem Ausfrieren der starken Kernkraft fror bei weiterer Abkühlung des Universums zunächst eine verbundene Kraft aus, die elektroschwache Kraft. Sofort nach dem Ausfrieren spaltete sie sich in zwei separate Kräfte auf, die eben besprochene elektromagnetische Kraft und die schwache Kernkraft .

Dieser Vorgang wird uns auf Grund seiner enormen Wichtigkeit und auch Komplexität im nächsten blogpost beschäftigen.

 

 

Headerbild: Spinnenetzstruktur des Universums; Würfel mit Kantenlänge 1 Milliarde Lichtjahre; Bolshoi Simulation. Credit: NASA, ESA and E. Hallman, University of Colorado; Boulder

Beitragsbild: Die Familien von Fermionen (Quarks und Leptonen) und Bosonen im Standardmodell der Teilchenphysik. Credit: https://de.wikipedia.org/wiki/Standardmodell

 

Verantwortlich: Peter H. Jacobi (Autor von „Cosmoblog. Kosmologie: Über die Grundlagen zur Spitzenforschung von heute und morgen“; K.Fischer Verlag, September 2017)

 

 

 

 

Schreibe einen Kommentar