Sie wissen nicht, was Zeug ist, Sie, die es in Ihren Händen halten. Atome? Ja, Zeug besteht aus Atomen. Und jedes Atom ist ein Kern, der von Elektronen umkreist wird. Jeder Kern besteht aus Protonen. Jedes Proton ist – aber dort erreichen Sie das Ende der Linie. Im Inneren des Protons liegt die tiefe, beunruhigende Wahrheit: Das Zeug besteht aus nichts oder fast nichts, das durch Klebstoff, viel Klebstoff, zusammengehalten wird. Physiker begannen dies erstmals 1973 zu vermuten. In letzter Zeit wurde es experimentell bewiesen.

CERN Photo

Frank Wilczek war ein 21-jähriger Doktorand an der Princeton University, als er 1973 an der Entwicklung dieser Theorie des Protons mitwirkte. Zuerst verstand er es selbst nicht wirklich; Er folgte nur, wohin die Mathematik ihn führte. „Wir haben die Berechnungen durchgeführt, aber wir hatten kein einfaches intuitives Verständnis“, sagt Wilczek. „Das physische Bild kam später.“ Dieses Bild hat selbst für Physiker eine Weile gedauert, bis es aufgenommen wurde, weil es wirklich nicht einfach ist. Selbst heute noch, wenn Sie einen Physiker bitten, ein Proton zu beschreiben, erhalten Sie zuerst eine Cartoon—Version – diejenige, die besagt, dass ein Proton einfach aus drei kleineren Teilchen besteht, die Quarks genannt werden. Diese Beschreibung ist nicht gerade falsch-es ist nur niedrige Auflösung. Es ist wahr, wie ein Bild vom Times Square aus 30.000 Fuß Entfernung wahr ist. Die Nahaufnahme der Realität, die Wilczek und seine Kollegen vor langer Zeit erblickten, ist weitaus verrückter und seltsamer.Ein Proton besteht aus drei Quarks, ja, aber die Quarks sind infinitesimal — nur etwa 2 Prozent der Gesamtmasse des Protons. Sie rasseln im Inneren des Protons mit nahezu Lichtgeschwindigkeit herum, aber sie sind in flackernden Wolken anderer Teilchen gefangen — anderer Quarks, die sich kurz materialisieren und dann verschwinden, und vor allem Gluonen, die die Kraft übertragen, die die Quarks zusammenhält. Gluonen sind masselos und vergänglich, aber sie tragen den größten Teil der Energie des Protons. Deshalb ist es genauer zu sagen, dass Protonen eher aus Gluonen als aus Quarks bestehen. Protonen sind kleine Klebstoffflecken – aber selbst dieses Bild vermittelt etwas zu Statisches und Substanzielles. Alles ist Fluss und knisternde Energie in einem Proton; es ist wie ein unendliches Gewitter in einer Flasche, eine Flasche weniger als .1 Billionstel Zoll im Durchmesser. „Es ist eine sehr reiche, dynamische Struktur“, sagt Wilczek. „Und es ist sehr erfreulich, dass wir eine Theorie haben, die es reproduzieren kann.“Vor allem, wenn Sie zufällig einer der Leute sind, die die Theorie erfunden haben, und wenn diese Theorie mehr als zwei Jahrzehnte später tatsächlich experimentell verifiziert wird. An einem Teilchenbeschleuniger namens HERA in Hamburg haben Physiker in den letzten acht Jahren Elektronen in Protonen geschossen und gezeigt, wie substanzlos die Quarks im Inneren sind. In der Zwischenzeit könnten andere Beschleunigerexperimente bald zeigen, wie das Universum all seine Protonen überhaupt zusammengebaut hat. Im Februar kündigten Physiker am CERN, dem Europäischen Labor für Teilchenphysik außerhalb von Genf, „überzeugende Beweise“ an, dass es ihnen gelungen sei, eine große Anzahl von Protonen zu schmelzen und für einen Augenblick die Art von Quark-Gluon-Plasma zu erzeugen, die zuletzt existierte eine Mikrosekunde nach dem Urknall. Alle Protonen in der Umgebung erstarrten jetzt aus dieser Suppe. Im Brookhaven National Laboratory auf Long Island in New York wird in diesem Sommer ein neuer und leistungsfähigerer Beschleuniger eingesetzt, um täglich Quark-Gluon-Suppe zu kochen. Bis zum nächsten Jahr könnten Physiker eine viel bessere Vorstellung davon haben, wie das Universum war, als es eine Milliarde Mal heißer war als die Oberfläche der Sonne, und Quarks und Gluonen — noch nicht in Protonen, in Kernen, in Atomen gefangen, in uns — könnten frei in den Quantenfeldern spielen.Die Quantenchromodynamik oder QCD, die Theorie, die Wilczek und seine Kollegen erfunden haben, ist eine Art Quantenfeldtheorie, und die Quantenfeldtheorie für Anfänger geht ungefähr so. Erstens ist E = mc2, wie Einstein entdeckte. Das heißt, Energie kann in Masse umgewandelt werden und umgekehrt. Zweitens ist leerer Raum nicht leer: Was wir Vakuum nennen, brodelt tatsächlich mit allen Arten von Energiefeldern, und die Energie manifestiert sich ständig als „virtuelle“ Partikel, die in weniger als einer Billionstel Nanosekunde auftauchen und dann wieder verschwinden. „Es wäre für uns nicht sehr nützlich, diese Struktur des Vakuums zu sehen“, sagt Wilczek, der jetzt Professor am Institute for Advanced Study in Princeton ist, wo er in Einsteins altem Haus lebt. „Es würde uns nicht helfen, Säbelzahntiger zu vermeiden oder unsere Kinder großzuziehen, also hat uns die Evolution gelehrt, es zu ignorieren. Aber es ist da.“Drittens (und zuletzt in unserer Feldtheorie-Grundierung), wenn zwei subatomare Teilchen eine Kraft aufeinander ausüben, interagieren sie über eines dieser Energiefelder, die sie selbst mitgestalten. Konkret tauschen sie eines dieser virtuellen Teilchen aus – das Quantum des Quantenfeldes. Ein Elektron hat zum Beispiel eine elektrische Ladung von -1, und diese Ladung erzeugt ein elektrisches Feld. Wenn sich das Elektron bewegt, wie es immer ist — es dreht sich um seine Achse und umkreist den Atomkern —, erzeugt es auch ein Magnetfeld; Alle Magnetfelder werden letztendlich durch bewegte elektrische Ladungen erzeugt. Wenn zwei geladene Teilchen interagieren – wenn beispielsweise ein Elektron in HERA von einem Proton gestreut wird – tauschen sie ein virtuelles Photon aus, das Quantum des elektromagnetischen Feldes. Die Theorie, die solche Wechselwirkungen beschreibt, die unter anderem von Richard Feynman erfunden wurde, heißt Quantenelektrodynamik oder QED.

In QED ist jedes einzelne Elektron von einer Wolke kurzlebiger virtueller Teilchen umgeben – Photonen, aber auch andere Elektronen gepaart mit Positronen, ihren positiv geladenen Antimaterie—Zwillingen. Diese schwärmenden Teilchenpaare bilden einen Schirm, der das Elektronenfeld teilweise aufhebt — zumindest von außen gesehen. Aus dem Inneren des Bildschirms, auf der anderen Seite scheint das Feld stärker als man erwarten könnte, wie eine nackte Glühbirne, sobald ein Lampenschirm entfernt wurde. „OK, das ist Screening, und das ist ziemlich einfach zu verstehen“, sagt Wilczek. „Was in QCD innerhalb des Protons passiert, ist genau das Gegenteil: Es ist Antiscreening. Es war sogar für uns eine Überraschung, also kann es nicht so einfach sein. Aber wir haben es im Laufe der Jahre elementarer verstanden.“

Die frühen 1970er Jahre, als Wilczek seine Pionierarbeit leistete, waren eine berauschende Zeit für Teilchenphysiker. Ihre Luft unterscheidet sich etwas von dem, was der Rest von uns atmet, und QCD war darin. Einige Jahre zuvor hatten Forscher am Stanford Linear Accelerator Center zum ersten Mal Elektronen auf Energien beschleunigt, die hoch genug waren, um Protonen zu durchdringen. Die Elektronen schienen nicht in Brei einzutauchen; Sie schienen von punktförmigen Nuggets innerhalb der Protonen abzuprallen. Quarks, die 1964 als rein mathematische Entitäten postuliert worden waren, begannen zu erscheinen, als ob sie wirklich in Protonen existieren könnten — und die Frage, wie das Ganze zusammengehalten wurde, wurde dringend und aufregend. Während Wilczek und sein Berater David Gross die Antwort in Princeton entdeckten, entdeckte ein anderer Doktorand namens David Politzer sie unabhängig in Harvard. Gross war mit 31 Jahren der alte Mann des Trios. „Wir hatten das Glück, damals jung gewesen zu sein“, schrieb er später, „als wir an den neu eröffneten Stränden entlang schlendern und die vielen schönen Muscheln abholen konnten, die das Experiment enthüllt hatte.“

Eine Schale war seltsamer als der Rest. Die Stanford-Experimente schienen zu zeigen, dass die Kraft zwischen Quarks — bekannt als die starke Kraft — tatsächlich schwächer wurde, als die Quarks näher zusammen kamen. Das war sehr seltsam. Die Kräfte, denen wir täglich begegnen, Elektromagnetismus und Schwerkraft, wirken genau umgekehrt: Sie sind in kurzen Abständen von ihrer Quelle stärker und in langen Abständen schwächer. Das ist der intuitive Weg; So sollten die Dinge sein. Andernfalls, zum Beispiel, Magnete würden von Ihrem Kühlschrank fliegen, um sich an den entfernten verführerischen Herd zu klammern — außer dass der Kühlschrank aus der Ferne wieder gut für sie aussehen würde. Und doch, so schwach die starke Kraft in sehr kurzen Entfernungen war, war sie in längeren Entfernungen stark genug, um Physiker zu frustrieren, die sich bemüht hatten und es versäumt hatten, ein Quark aus einem Proton herauszuziehen. Niemand hatte es geschafft, einen isoliert zu beobachten.

Wilczek und Gross suchten nach einer Quantenfeldtheorie, die eine solche Kraft erklären könnte. Eigentlich hatte ich erwartet, dass sie scheitern; er wollte beweisen, dass die Feldtheorie eine Sackgasse war. Aber eine Art mathematischer Formalismus, genannt nicht-Abelsche Eichtheorie, war noch nicht ausprobiert worden. Wilczek verbrachte ein halbes Jahr damit, ein Notizbuch mit Berechnungen zu füllen, wie Teilchen durch ein nicht-abelsches Quantenfeld interagieren würden. Am Ende hatte er eine Kraft, die aus nächster Nähe stärker wurde, wie eine gute Kraft sollte, wie Gross erwartet hatte — aber anders als in Stanford gemessen. Wilczek überprüfte die langwierigen Berechnungen immer wieder. Dann entdeckte Gross ein einzelnes Pluszeichen in der Feldgleichung, das ein Minus hätte sein sollen. Dieser Vorzeichenwechsel änderte alles: QCD war geboren.Innerhalb eines Protons sind die Quarks laut QCD „asymptotisch frei“, wie die Stanford-Ergebnisse nahelegen, was bedeutet, dass sie sich fast so bewegen, als gäbe es überhaupt keine Kraft zwischen ihnen. Aber die Freiheit ist eine Illusion: Ein Quark kann seinen Partnern niemals entkommen. Mit zunehmendem Abstand zwischen ihnen nimmt auch die Kraft zu, und so wird unweigerlich ein eigensinniges Quark gezügelt, wie ein Bungee-Jumper. Deshalb hat oder wird niemand jemals ein einsames Quark sehen, was, wenn man darüber nachdenkt, zutiefst seltsam ist. „Das Proton hat Teile, aber es kann nicht auseinander genommen werden“, sagt Alvaro de Rújula, theoretischer Physiker am CERN. „Man kann ein Elektron in der Hand halten. Sie können kein Quark oder Gluon in der Hand halten.“

Die Verrücktheit kommt von den Gluonen. Die Quantenchromodynamik, die Kraft, die Protonen zusammenhält, ist eng an die Quantenelektrodynamik angelehnt, die Kraft, die Atome zusammenhält — aber die Gluonen ändern das Screening zu Antiscreening, intuitiv zu bizarr. In der Quantenchromodynamik tragen Quarks eine neue Art von Ladung, genannt Farbe — die nichts mit gewöhnlicher Farbe zu tun hat – und diese Ladungen erzeugen ein Farbfeld (daher der Name Chromodynamik). Das Quantum des Feldes und der Sender der starken Kraft ist das Gluon. Wie das Photon, das die elektromagnetische Kraft überträgt, ist ein Gluon masselos. Aber im Gegensatz zum Photon ist ein Gluon geladen. Es erzeugt sein eigenes Farbfeld, übt seine eigene starke Kraft aus und interagiert mit anderen Gluonen. Er führt ein reiches Leben.

Das Farbfeld kann wie das elektromagnetische als zwei Komponenten betrachtet werden — nennen wir sie Farbe elektrisch und Farbe magnetisch. Eine sich schnell bewegende Farbladung – Gluonen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit – erzeugt ein starkes Farbmagnetfeld. Gluonen sind also wie kleine Dipolmagnete. Die Gluonen, die ein Quark umgeben, richten sich parallel zu seinem Farbfeld aus, wie es Magnete tun würden, und anstatt es zu schwächen, wie virtuelle Teilchen das Feld eines Elektrons tun, verstärken sie es. Sie schirmen das Quark ab und verstärken sein Feld. Hier funktioniert die Lampenanalogie nicht mehr — das Quark ist eine schwache Glühbirne, die außerhalb des Schirms irgendwie heller wird.

Das ist es, was ein Proton zusammenhält, und das gibt ihm eine bizarre innere Struktur. Wenn es einem Quark gelingt, in die Gluonwolke eines anderen zu gelangen, empfindet es nur eine schwache Anziehungskraft. Aber je weiter es entfernt ist, desto mehr spürt es die zusätzliche Anziehungskraft von Gluonen — Gluonen, die von den Quarks emittiert werden, Gluonen, die von anderen Gluonen emittiert werden, Gluonen, die sich zu virtuellen Quark-Antiquark-Paaren materialisieren, die mehr Gluonen austauschen. „Die Quarks lösen das Ganze aus, aber sobald es anfängt, ist es ein sehr mächtiger Prozess, weil die Gluonen interagieren“, sagt Wilczek. „Es ist eine Art außer Kontrolle geratener Prozess.“1974 schlugen De Rújula, Politzer, Wilczek und einige andere Physiker diese Gluonisierung des Protons vor und schlugen vor, wie es eines Tages gemessen werden könnte. Zwei Jahrzehnte später begannen Wissenschaftler bei HERA genau das zu tun. HERA ist ein ringförmiger Beschleuniger, fast vier Meilen herum, in dem Elektronen, die 47.000 Runden pro Sekunde machen, in Protonen zerschlagen werden, die in die andere Richtung gehen. Je größer die Energie der Kollision ist, desto tiefer kann sich ein Elektron in ein Proton bohren, bevor es abgelenkt wird. Durch die Messung, wie das Elektron in Millionen von Kollisionen abgelenkt wird, können Physiker Informationen über die internen Komponenten sammeln, die die Ablenkung durchführen. Es ist, als würde man das Innere eines Protons Pixel für Pixel fotografieren, sagt Wilczek — und die Ergebnisse passen zu dem Vorschlag, den er und seine Kollegen vor Jahrzehnten gemacht haben.“Nur auf der gröbsten Ebene besteht ein Proton aus drei Quarks“, sagt Wilczek. „Wenn man genau hinschaut und in diese Wolken eindringt und anfängt, die Grundstruktur zu sehen, sieht man, dass es hauptsächlich Klebstoff ist.“

Was die Frage umso interessanter macht, wie das Universum es jemals geschafft hat, so etwas zu entwerfen.

Ein teilchenphysikalisches Labor zu besuchen, ist von einem Kontrast in der Größenordnung betroffen — zwischen der Kleinheit der untersuchten Objekte und der Größe der Ressourcen — Menschen, Maschinen, Rechenleistung, elektrische Energie, Raum, Geld -, die ihm gewidmet sind. (Wenn diese Infrastruktur ein hoher Preis für Informationen über den Ursprung des Universums zu sein scheint, bedenken Sie, dass das Web — das Wissenschaftlern bei der Kommunikation enormer Datendateien helfen soll — eine Idee des CERN ist. Das CERN verbraucht fast so viel Strom wie die Nachbarstadt Genf. Der größte Beschleuniger des CERN, der Large Electron-Positron Collider, besetzt einen kreisförmigen Tunnel 17 Meilen herum. In den kommenden Jahren wird es demontiert und durch einen noch leistungsstärkeren Beschleuniger, den Large Hadron Collider, ersetzt, der die Energie, die eine Billionstel Sekunde nach dem Urknall existierte, wiederherstellen wird. (Hadronen sind Kernteilchen wie Protonen, die aus Quarks und Gluonen bestehen. Um ein Quark-Gluon-Plasma herzustellen, müssen Sie nicht so weit in der Zeit zurückgehen — die erste Mikrosekunde reicht aus —, also benötigen Sie einen weniger leistungsstarken Beschleuniger.

Dennoch ist das Superproton-Synchrotron am CERN mehr als vier Meilen entfernt. Es ist in einem Tunnel untergebracht, der 300 Fuß unter der Erde liegt, und in diesem Tunnel, in einem nur wenige Zentimeter breiten Aluminiumrohr, werden Bleikerne durch Magnete auf 99,9 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Sie werden dann an die Oberfläche und in eine riesige, fabrikähnliche Halle geführt, 300 Meter lang. Das Aluminiumrohr gabelt sich in verschiedene Detektoren, wo die Bleikerne – jeweils bestehend aus 208 Protonen und Neutronen, den elektrisch neutralen Zwillingen von Protonen — in ein nur wenige hundert Mikrometer dickes Stück Bleifolie einschlagen.

Was als nächstes passiert, ist theoretisch einfach: Die Kollision erzeugt einen Feuerball, der intensiv genug ist, um die Protonen und Neutronen zu schmelzen. Die Quarks und Gluonen zirkulieren frei, wie sie es tief in einem Proton tun, aber jetzt über eine Region, die viele Protonen breit ist und ein Quark-Gluon-Plasma bildet. „Wenn man den Film vom Urknall rückwärts läuft, wird er immer dichter, heißer und heißer“, sagt Reinhard Stock von der Universität Frankfurt, der einen der CERN-Detektoren mitentwickelt hat, „und wir wissen, dass alle gebundenen Strukturen zerbrechen, wenn ihre Energiedichte ihre Bindungsenergie übersteigt.“ Die Quantenchromodynamik verlangt, dass ein Quark-Gluon-Plasma bei einer bestimmten Energiedichte existiert, „aber man muss beweisen, dass es existiert“, sagt Stock. „Und deshalb sind wir seit 15 Jahren hier.“

Das Problem ist, dass sich der Laborfeuerball schnell ausdehnt und schnell abkühlt, genau wie es der ursprüngliche getan haben muss. Das Plasma überlebt nur 10-22 Sekunden, bevor die Quarks und Gluonen wieder zu Protonen und anderen Hadronen kondensieren. Was Physiker tatsächlich entdecken, ist ein Spray von Tausenden solcher Partikel, die aus der Rückseite der Bleifolie kommen. In Stocks Detektor fliegen die Teilchen dann durch eine raumgroße Schachtel mit Argongas und stoßen Elektronen von Argonatomen ab. Zähler erfassen die Elektronen und Computer rekonstruieren die Teilchenspuren, die ihre Identität offenbaren. Sobald die Physiker die Datenflut analysiert haben — jede Kollision liefert 10 Megabyte an Daten, und Stock und seine Kollegen haben Millionen von Kollisionen aufgezeichnet -, können sie etwas über den Plasma-produzierenden Feuerball lernen.

In den letzten Jahren haben Stocks Detektoren und andere am CERN bestätigt, dass die Feuerbälle heiß genug und dicht genug sind, um Quark-Gluon-Plasma zu produzieren. Sie haben einen Überschuss an Partikeln gefunden, die „seltsame“ Quarks enthalten, und einen Mangel an Partikeln, die „Charme“ enthalten — beides Nebenwirkungen, die von der Quantenchromodynamik vorhergesagt werden. (Seltsame Quarks und Charm-Quarks sind exotische Arten, die in gewöhnlichen Teilchen nicht vorkommen.) Es läuft alles auf einen mächtigen Fall hinaus, dass CERN Quark-Gluon-Plasma erzeugt hat – aber es ist kein Beweis. „Das Problem ist, dass sie es nicht direkt beobachten konnten“, sagt Tom Ludlam, Physiker am Brookhaven National Laboratory.

Brookhavens relativistischer Schwerionencollider, der diesen Sommer mit der Physik beginnen soll, wird Goldkerne mit der 10-fachen Energie kollidieren, die am CERN möglich ist, und so Temperaturen erreichen, die es einem Quark-Gluon-Plasma ermöglichen, einen winzigen Moment länger zu überleben. Wenn sich die Quarks von einer Billion Grad abkühlen, sollten sie Wärmestrahlung in Form von Gammaphotonen emittieren. Das ist das direkteste mögliche Signal aus dem Quark-Gluon-Plasma, und Brookhavens Collider sollte es erkennen können. Sie können es sich als den Lichtblitz vorstellen, den das Universum emittierte, als alle seine Protonen geboren wurden.

Auch die Wissenschaftler in Brookhaven werden die Frage, woher Protonen kommen, nicht endgültig beantworten können. Ein zentrales Mysterium wird bleiben. Innerhalb eines Protons, wenn Gluonen kommen und gehen, wenn Quarks und Antiquarks in ihren zahllosen Schwärmen kommen und gehen, bleibt eine Zahl konstant: Es gibt immer drei Quarks mehr als Antiquarks. Das sind die Quarks, die, „auf der gröbsten Ebene“, wie Wilczek es ausdrückt, das Proton bilden. Warum sind sie Materie und nicht Antimaterie? Warum besteht das Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie? Die Antwort geht über die Quantenchromodynamik hinaus. Ein leichtes Ungleichgewicht zwischen Quarks und Antiquarks, wenn Wilczek und andere Theoretiker Recht haben, war bereits im ursprünglichen Quark-Gluon-Plasma vorhanden. Um seinen Ursprung zu verstehen, werden Beschleuniger benötigt, die noch höhere Energien erreichen, wie der Large Hadron Collider des CERN. Es wird neue Arten von Theorien erfordern – von denen einige leider verlangen könnten, dass wir anfangen, an Teilchen als winzige Schleifen von Strings und das Universum als viel mehr Dimensionen als die vier, die wir kennen und lieben, zu denken.

Wenn sich die Physik weiterentwickelt, kann das Bild des Protons, das uns die Quantenchromodynamik gegeben hat, beruhigend konkret und solide erscheinen — obwohl fest genau das ist, was ein Proton nicht ist. In einen hineinzufliegen – wenn man sich das vorstellen kann, die starke Kraft in einer Art subnuklearem Segelflugzeug zu reiten – wäre wie durch die Erdatmosphäre zu fallen. Die obere Atmosphäre des Protons ist ein dünner Zirrus virtueller Quark-Antiquark-Paare; Sie bilden einen Schild für das, was darunter liegt. Wenn Sie an ihnen vorbeifallen, wird die Atmosphäre dichter und dichter, die Wolken dicker und dicker. Ihr Flugzeug wird mit zunehmender Häufigkeit und Kraft von Farbblitzen getroffen – den Gluonen. Und dann, vielleicht vier Fünftel des Weges durch Ihren Abstieg, tauchen Sie aus der Wolkendecke auf. Die Fahrt ist jetzt ruhiger. Die Blitze sind nicht verschwunden; Sie sind zu einem durchgehenden Blatt verschmolzen, und irgendwie fühlt man sich gleichzeitig federleicht und immun gegen alle Kräfte. Du bist jetzt in der Nähe des Zentrums des Protons, völlig gefangen, während du in Richtung der Asymptote der völligen Freiheit fällst, und du findest . . . nicht viel.“Je genauer man hinschaut, desto mehr löst sich das Proton in viele Teilchen auf, von denen jedes sehr, sehr wenig Energie trägt“, sagt Wilczek. „Und die Elemente der Realität, die das Ganze ausgelöst haben, die Quarks, sind diese winzigen kleinen Dinge mitten in der Wolke. Wenn Sie der Entwicklung zu unendlich kurzen Entfernungen folgen, geht die auslösende Ladung auf Null. Wenn Sie die Gleichungen wirklich studieren, wird es fast mystisch.“