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Urknall

Urknall

Der Urknall, früher nur eine philosophische Hypothese, ist heute eine unbestrittene Tatsache in der Wissenschaft. Selbst wenn es noch keine gesicherte Theorie zum „Wie“ des Ursprungs gibt, wissen wir, dass sich das Universum einst in einem Zustand extremer Dichte und Temperatur befand.

Astronomische Beobachtungen von entfernten Galaxien zeigen, dass sich das Universum immer weiter ausdehnt: Objekte im Universum entfernen sich umso schneller voneinander, je größer ihre Abstände sind. Im Umkehrschluss bedeutet das, dass das Universum früher kleiner war und vor langer Zeit entstand, nach unseren Berechnungen vor 13,8 Milliarden Jahren.

Man nimmt an, dass damals Raum und Zeit spontan entstanden und sich explosionsartig ausdehnten und sich das Universum schrittweise mit den verschiedenen Teilchen aller Art füllte. 
Aber was war vor dem Urknall?

Viele Menschen fragen sich das. Die ehrliche Antwort ist: Wir wissen es nicht; hier müssen dann Philosophie und Religion nach Antworten suchen.

Das Zeitalter der Elementarteilchen

Nach dem Urknall, in dem sich das Universum in einem Zustand extrem hoher Dichte und Temperatur befand, herrschte eine vereinheitlichte „Urkraft“. Es gab noch keine elementaren Teilchen, sondern nur winzige schwingende Schleifen, die sogenannten „Strings“.

Kurz nach dem Urknall erfolgte eine inflationäre Phase, in der sich das gesamte Universum um das 1026-Fache (also um hundert Quadrillionen – eine 1 mit 26 Nullen!) innerhalb von 10-32 s (also innerhalb von einem Hundertmillionstel einer quadrillionstel Sekunde – sagen wir einfach: in extrem kurzer Zeit) aufgebläht hat. Erst nach dieser „Inflation“ erfolgte die Expansion des Kosmos mit der Geschwindigkeit, die wir heute berechnen und messen können.

Es war so heiß, dass eine milliardstel Sekunde (10-9 s) nach dem Urknall sämtliche bekannten Teilchen in ihrer elementaren Form vorhanden waren. Nach einer millionstel Sekunde hatte sich das Universum so weit ausgedehnt und abgekühlt, dass sich Quarks zu Protonen und Neutronen verbinden konnten. Nach drei Minuten verbanden sich Protonen und Neutronen zu Atomkernen. Erst nach ca. 380.000 Jahren war das Universum auf etwa 2.700 Grad abgekühlt. Nun konnten sich die ersten stabilen Wasserstoffatome bilden. Das Universum wurde durchsichtig, und Lichtteilchen, die Photonen, konnten entweichen. Durch Photonen werden Dinge für unsere Teleskope sichtbar – erst ab diesem Zeitpunkt können wir also das Universum beobachten.

Die Teilchenphysik ist der Schlüssel zum Verständnis der allerersten Augenblicke des Universums. Mit einem Teilchenbeschleuniger lässt sich jener Zustand von Materie herstellen, wie er kurz nach dem Urknall geherrscht hat. So hilft die Teilchenphysik, die Geburt unseres Universums besser zu verstehen.

Ausstellung „Teilchenzoo“

Im Rahmen der Ausstellung „Teilchenzoo“ entstand eine Videoreihe zu der Frage „Was sind eigentlich Teilchen?“

Außerdem können Sie sich auf der Website der Ausstellung Steckbriefe zu den Elementarteilchen wie Quarks, Photonen, Elektronen etc. ansehen oder im Teilch-o-maten herausfinden welches Teilchen am besten zu Ihnen passt.

Die Ausstellung „Teilchenzoo“ ist ein Gemeinschaftsprojekt des Forschungszentrums DESY und des Universum® Bremen. Sie fand vom 27. September 2013 bis zum 30. Juni 2014 im Universum® statt.

Materie und Antimaterie

Elementarteilchen wie Quarks, Gluonen und Elektronen sind die kleinsten bekannten Bausteine unseres heutigen Universums.

Wie jedes Elementarteilchen haben sie grundlegende, unveränderliche Eigenschaften: Masse (Eigenenergie), Spin (Eigendrehimpuls) und Größen wie die elektrische Ladung. Zu jedem Teilchen gibt es ein Antiteilchen mit gleicher Masse und gleichem Spin, aber entgegengesetzter Ladung. Wie Atome aus Protonen, Neutronen und Elektronen bestehen, bilden deren Antiteilchen Antiatome aus Antiprotonen, Antineutronen und Positronen – also Antimaterie.

Beim Urknall entstanden Materie und Antimaterie in (fast) gleicher Menge. Wenn Materie und Antimaterie aufeinander stoßen, vernichten sie sich gegenseitig und wandeln sich dabei in Photonen um. Mit der Abkühlung des Universums begann ein Vernichtungsprozess von Teilchen und Antiteilchen, an dessen Ende ein winziger Materieüberschuss übrig blieb, aus dem alle Galaxien, Sterne und Planeten entstanden sind.

Schematische Darstellung vor schwarzem Hintergrund: eine gelbe Kugel (Materie) und eine blaue Kugel (Antimaterie) sind zu sehen. Von dort, wo die Kugeln sich berühren, zeigen weiße Streifen wie ein Leuchten nach außen.
Kriemhild Repp, NHM Wien

Die Suche nach dem Higgs-Teilchen

Das Universum ist eine zehn milliardstel Sekunde alt und hat eine Temperatur von einer Billiarde Grad. Hier könnte etwas ganz Besonderes passiert sein: die Geburtsstunde der Materie, wie wir sie kennen. Hier könnten die Elementarteilchen ihre Masse bekommen haben. Die drei Elementarteilchen, aus denen alles in unserer heutigen Welt aufgebaut ist, Up-Quarks, Down-Quarks und Elektronen, haben eine ganz bestimmte Masse. Aber woher kommt diese Masse? Als Erklärung entwickelten Teilchenphysiker schon in den 1960er Jahren eine bahnbrechende Theorie, den Brout-Englert-Higgs-Mechanismus. Danach ist das Universum mit einer Art „Sirup“ gefüllt, dem Higgs-Feld. Dieses Higgs-Feld gibt dem Vakuum des Universums eine Struktur und bremst die durchfliegenden Teilchen ab. Dadurch erhalten die Teilchen ihre Masse. Je stärker die Teilchen mit dem Higgs-Feld reagieren, desto mehr Masse erhalten sie.

Peter Higgs erkannte dabei weiterhin, dass mit diesem Feld ein Teilchen verbunden sein müsste – das Higgs-Teilchen. 2012, gute fünfzig Jahre nach der theoretischen Vorhersage, war es dann so weit: Im Teilchenbeschleuniger LHC des Forschungsinstituts CERN gelang der Nachweis dieses Higgs-Teilchens. Das war ein wichtiger Meilenstein zum Verständnis des Universums.

Schematische Grafik vor schwarzem Hintergrund: in der Mitte des Bildes sind in gelb die Bahnen der Teilchen als Striche von der Mitte ausgehend angezeigt. Es ist ein großes Chaos aus geraden und gekrümmten Linien, die alle aus einem Punkt herauskommen. Diagonal links oben und rechts unten von dem Chaos sind zwei lange rote Balken zu sehen. Diese stellen die zwei Photonen dar. Links und rechts von dem gelben Chaos sind kleine und ein paar größere bunten Flecken in gelb, rot und blau zu sehen, die die Detektion von Teilchen darstellen.
CERN, L. Taylor, T. McCauley
Zerfall eines Higgs-Teilchens in zwei Photonen, gemessen im CMS-Experiment am CERN

Die Entstehung von Protonen und Neutronen

Das Universum ist eine millionstel Sekunde alt und hat eine Temperatur von 1.000 Milliarden Grad.

In der ersten millionstel Sekunde nach dem Urknall hatte das Universum eine Dichte von 100 Kilo pro Kubikzentimeter und war gefüllt mit subatomaren Teilchen, die wir heute nicht mehr „frei“ beobachten können: Quarks und Gluonen. Sie können aber in großen Teilchenbeschleunigern durch hochenergetische Kollisionen erzeugt werden. Man erforscht damit diesen Aggregatzustand, der zuletzt unmittelbar nach dem Urknall vorhanden war.

Bei der weiteren Abkühlung des Universums kondensierten die Quarks und Gluonen – ähnlich wie Wasserperlen auf einer kalten Oberfläche – zu den Bausteinen der Atomkerne, den Protonen und Neutronen. Das Gluon wurde 1979 am PETRA-Beschleuniger beim Forschungszentrum DESY in Hamburg entdeckt.

Schematische Darstellung vor schwarzem Hintergrund: oben sind zwei große Kreise in rot und blau (Neutron und Proton), in denen sich je drei kleinere Kreise in grün und pink befinden. Diese sind darunter als Up- und Down-Quark erklärt. Ebenfalls zu sehen sind ein gelber Kreis (Elektron) und zwei Kreise mit Zacken in hellgrün und hellblau (Higgs-Boson und Gluon).
Illustration: Kriemhild Repp, NHM Wien
Quark-Gluon-Plasma

Entdeckung des Gluons

Sau Lan Wu und Georg Zobernik von der Uni Wisconsin hatten ein sehr effizientes Analyseprogramm zur Auswertung der Kollisionen, bei denen Quarks entstehen, geschrieben und zudem ausgerechnet, dass die Entstehung von Gluonen durch Bremsstrahlung in PETRA ab einer Kollisionsenergie von etwa 22 GeV möglich sein sollte. Und schließlich, im Juni 1979, wenige Tage vor einer Konferenz in Bergen (Norwegen), fanden die TASSO-Forscherinnen und -Forscher in ihrem Event 13177 des Runs 447 das erste Ereignis mit drei eindeutigen Teilchenjets in ihren Daten. Quasi frisch analysiert nahm Bjørn Wiik es am 18. Juni mit auf die Konferenz „Neutrino 79“ nach Bergen und legte das Bild in seiner Präsentation „Erste Ergebnisse von PETRA“ als letzte Folie auf den Overheadprojektor. Es wurde die Folie mit dem größten Nachhall: Das Gluon hatte das Licht der (wissenschaftlichen) Welt erblickt.

 Lesen Sie mehr dazu wie das Gluon in Hamburg entdeckt wurde in diesem Artikel des DESY.

Das Foto zeigt zwei Personen: links steht Sau Lan Wu und trägt einen hellblaues Sweatshirt. Rechts sitzt Bjørn Wiik in einem braunen Strickpulli mit hinter dem Kopf verschränkten Armen. Im Hintergrund sieht man viele graue Kabel, die aus der Wand hängen sowie mittig im Bild ein Klemmbrett mit einem weißen Bogen Papier drauf.
DESY
Sau Lan Wu und Bjørn Wiik machen eine Pause beim Verdrahten der Driftkammer des TASSO-Detektors.

Die Geburtsstunde der ersten chemischen Elemente

Das Universum ist ein paar Sekunden alt und hat eine Temperatur von ein paar Milliarden Grad. Bereits jetzt war das Universum von der unermesslich hohen Temperatur, die es ganz am Anfang hatte, auf wenige Milliarden Grad abgekühlt. Diese „kühleren“ Bedingungen ließen es zu, dass in den folgenden drei Minuten aus Protonen und Neutronen erste stabile Atomkerne entstanden. Und zwar Kerne der leichtesten Elemente: Wasserstoff, Helium und Spuren von Lithium. Die Atomkerne der schwereren Elemente bildeten sich erst später durch Kernfusion im Inneren von Sternen.

Die Häufigkeit der leichten Elemente lässt sich berechnen, und die Daten stimmen mit astronomischen Messungen überein – ein wichtiger Schritt zur Akzeptanz der Urknall-Hypothese.

Schematische Darstellung vor schwarzem Hintergrund: oben links ist eine einzelne blaue Kugel (Wasserstoff-Kern). In einem Halbkreis bis unten links werden nach und nach rote Kugeln (Neutronen) und weitere blaue Kugeln (Protonen) hinzugefügt. Die einzelnen Atomkerne sind beschriftet.
Illustration: Kriemhild Repp, NHM Wien

Das Universum wird durchsichtig

Das Universum ist 380.000 Jahre alt und hat eine Temperatur von 2.700 Grad.

Kurz vor diesem Zeitpunkt war das Universum ein riesiger Feuerball, der vor allem aus geladenen Atomkernen und freien Elektronen bestand, die in Myriaden von Lichtteilchen, die Photonen, eingebettet waren. Die Temperatur war so hoch, dass sich keine neutralen Atome bilden konnten. Die umherflitzenden Photonen wurden absorbiert und konnten das Universum nicht durchdringen.

Erst als die Temperatur auf 2.700 Grad gesunken war, waren alle Atomkerne und Elektronen in Atomen gebunden. Die Photonen wurden nicht mehr absorbiert, sondern konnten die nun „neutrale“ Materie passieren. 380.000 Jahre nach dem Urknall wurde das Universum „durchsichtig“. Die kosmische Hintergrundstrahlung, die wir heute noch beobachten können, besteht aus diesen ersten Photonen, die das Universum durchdrangen.

Schematische Darstellung vor schwarzem Hintergrund: es sind zwei Bilder zu sehen. Oben ist ein engmaschiges Netz zu sehen mit gelben Punkten (freie Elektronen) in den Knotenpunkten. In diesem Netz sind blaue Punkte (Atomkerne) gefangen. Unten befindet sich ein lockeres Netz aus wellenförmigen Linien (Photonen) mit hellblauen Punkten (Atomen) dazwischen.
Illustration: Kriemhild Repp, NHM Wien

Baukasten für das Universum

In jahrzehntelanger Forschungsarbeit wurde eine Art Baukastensystem für das Universum entwickelt. Es wird als Standardmodell der Teilchenphysik bezeichnet und umfasst unser gesamtes Verständnis von den fundamentalen Teilchen und deren Wechselwirkungen.

Schematische Darstellung vor schwarzem Hintergrund: auf blauen Treppenstufen liegen bunte Kugeln, die beschriftet sind mit den Namen der Elementarteilchen. Oben rechts in der Ecke ist in einem weißen Kreis schematisch ein Wasserstoffatom dargestellt.
Illustration: Kriemhild Repp, NHM Wien
Materie-Teilchen, wie Quarks und Leptonen, bilden die Materie. Die stabile Materie, wie wir sie kennen, besteht aus Up-Quarks, Down-Quarks und Elektronen. Kräfteteilchen – Gluonen, Photonen und W- und Z-Bosonen – halten die Materie zusammen. Von den Higgs-Teilchen erhalten alle Elementarteilchen ihre Masse.
In weiß vor schwarzem Hintergrund ist ein Tabellenraster zu sehen. Die vertikale Achse ist beschriftet mit den Namen der Elementarteilchen. Die horizontale Achse ist beschriftet mit Jahreszahlen von 1880 bis 2010. In das Raster ist in bunten Farben der Zeitraum zwischen Konzept und experimentellem Nachweis eingetragen für jedes der Elementarteilchen.
grafische kooperative
Der experimentelle Nachweis von Teilchen kann oft mehrere Jahrzehnte dauern. Nach dem Higgs-Teilchen wurde fast 50 Jahre lang gesucht.

Symmetrien

Symmetrien bilden das „Ordnungsprinzip“ zur Beschreibung des gesamten Universums vom ganz Kleinen bis zum ganz Großen.

Viele Symmetrien kennen wir aus dem Alltag, zum Beispiel die Achsensymmetrie der Flügel eines Schmetterlings oder ein Objekt und sein Spiegelbild. Für die Reise ins „ganz Kleine“ werden ebenfalls Symmetrien benutzt, wie die Eichsymmetrie, ein strenges mathematisches Konzept, das die Art der Kräfte bestimmt.

Wenn man genau hinsieht, sind die beiden Flügel des Schmetterlings aber eben nicht komplett symmetrisch. Physiker:innen sagen, die Symmetrien sind gebrochen. Ebenso ist es in der Beschreibung des Universums. Bei niedrigen Temperaturen wird diese Eichsymmetrie spontan gebrochen und den Teilchen lassen sich Masseterme zuordnen. Das nennt man den „Brout-Englert-Higgs-Mechanismus”.

Schematische Darstellung vor schwarzem Hintergrund: über einer blauen Trennfläche in der Mitte sind oben bunte Kugeln zu sehen, die mit Namen der Elementarteilchen beschriftet sind. Unter der Trennfläche sind größere Kugeln in den gleichen Farben. Die Kugeln über und unter der Fläche sind je mit einer Linie verbunden.
Illustration: Kriemhild Repp, NHM Wien

Ist die Welt supersymmetrisch?

Symmetrien spielen in der Physik eine zentrale Rolle, da sich in ihnen die Grundprinzipien der Natur manifestieren. Die Physik ist auf der Suche nach der größtmöglichen Symmetrie und nennt diese „Supersymmetrie“. Nach der supersymmetrischen Theorie hat jedes bekannte Teilchen ein supersymmetrisches Partnerteilchen: jedes Elektron ein „Selektron“ und jedes Photon ein „Photino“. Jedes Teilchen bekommt sozusagen ein Spiegelbild. Das Spiegelteilchen des Photons ist ein Kandidat für die bisher unentdeckte Dunkle Materie. Bisher ist die Supersymmetrie nur eine Theorie. Bei Experimenten im Teilchenbeschleuniger LHC des Forschungszentrums CERN wird derzeit fieberhaft nach realen supersymmetrischen Partnerteilchen gesucht.

Schematische Darstellung vor weißem Hintergrund: links sind als gelbe, rote, grüne und graue Kreise unsere Elementarteilchen dargestellt. Rechts daneben befindet sich ein Spiegel, in dem Spiegelbilder der Kreise zu sehen sind.
Illustration: Emma Weichert

Zeitreise zurück zum Urknall

In der Ausstellung: Navigieren Sie durch das Zeitalter der Elementarteilchen! Begeben Sie sich auf eine Zeitreise zurück zum Urknall. Lernen Sie das frühe Universum kennen: Welche Teilchen und Kräfte traten damals in Aktion? Wie bildeten sich Atomkerne? Wie entstand Dunkle Materie?

Starke Paare

Quarks kommen im heutigen Universum nie einzeln vor, sondern entweder als Teil eines Teilchenpaares („Meson“ genannt) oder einer Dreierkombination (z. B. Proton oder Neutron). Versucht man, Quarks voneinander zu trennen, braucht man sehr viel Energie. Versuchen Sie mal, die „starken Paare“ zu trennen. Wenn Sie es schaffen, ein Quark-Antiquark-Paar zu trennen, entstehen neue Quarks.

Jana Schumacher

Puzzle (2022)

In den Zeichnungen und Installationen von Jana Schumacher verdichten sich abstrakte Strukturen zu Ornamenten des Seins. Die Künstlerin spannt einen Bogen vom Mikro- zum Makrokosmos, der bis in die Tiefen des Alls führt. Ihr Raumensemble Puzzle symbolisiert die Suche der Wissenschaft, die auch die Kunst und die Menschheit allgemein betrifft, nach den großen Rätseln des Universums: Mysterien, denen die Partikelphysik durch die Erforschung der Dunklen Materie auf der Spur ist. Auf einem surreal wirkenden Konferenztisch, der Stanley Kubricks satirischem Sci-Fi-Klassiker Dr. Strangelove (1964) nachempfunden ist, erhebt sich eine Anhäufung aus zahllosen schwarzen Puzzlestücken. Das Zusammensetzen des Puzzles stellt eine kaum lösbare Herausforderung dar, die nur, so deutet der runde Tisch an, im Kollektiv zu bewältigen ist. Das potenzielle Gesamtbild, das aus den einzelnen Teilen des Spiels entstehen könnte, entzieht sich dem Zugriff ebenso wie die Dunkle Materie selbst: eine enigmatische Substanz, die bislang weiterhin Geheimnisse birgt. Wie auch in anderen Arbeiten thematisiert Schumacher hier die Auseinandersetzung mit dem Unbekannten, die Künstler:innen und Wissenschaftler:innen gleichermaßen antreibt.

Ein Sandkorn macht den Unterschied

Elementarteilchen haben so genannte Antiteilchen. Sie vernichten sich gegenseitig, wenn sie aufeinandertreffen. Beim Urknall sind gleich viele Teilchen und Antiteilchen entstanden. Aber warum gibt es uns, wenn sich eigentlich alle entstandene Materie und Antimaterie komplett vernichtet haben müsste? Wissenschaftler:innen vermuten, dass es im frühen Universum Teilchenzerfälle gab, bei denen etwas mehr Materie erzeugt worden ist. In unserem Modell entsprechen die Sandkörner der Materie und der Antimaterie – und dem einen Materie-Sandkorn mehr ist es zu verdanken, dass es uns gibt.
Foto von zwei quadratischen mit Sand gefüllten Behältern. Der Sand im linken Kasten ist schwarz während der im rechten hell ist. Bei dem hellen Sand ist ein einzelnes Sandkorn extra aufgebahrt.
Leihgabe / Loan from: DESY Zeuthen