Der Bauplan der Materie – auf der Suche nach dem Higgs
1897 entdeckte Thomson das Elektron, so dass schließlich 1916 das Bohr-Sommerfeldsche Atommodell eingeführt wurde. Nun war klar, dass die klassischen Atome keineswegs unteilbar sind, sondern vielmehr selbst aus kleineren „atomos“ Teilchen, den Nukleonen und Elektronen, bestehen.
Die folgenden Jahrzehnte zeigten, dass es in der Natur nicht nur die stabilen Nukleonen – nämlich die Neutronen und Protonen – und Elektronen gab, sondern auch andere instabile Teilchen, die sehr schnell zerfallen. Diese Teilchen lassen sich im Experiment ebenso wie in der Natur dadurch erzeugen, indem stabile Teilchen, also z. B. Protonen, mit hoher Energie aufeinandertreffen (wie z. B. am LHC).
Gemäß der speziellen Relativitätstheorie gilt die Energiebilanz E = mc2, d. h.,
die Kollisionsenergie kann – und nach den Gesetzen der Quantenmechanik kurzzeitig – in Masse, also Materie, umgewandelt werden.
Diese so entstandene Materie bzw. die so erzeugten Teilchen sind in ihrem Zustand instabil und zerfallen sehr schnell oder geben ihre überschüssige Energie sehr rasch ab, so dass ihre Existenz eher indirekt über die Zerfallsprodukte nachgewiesen werden kann.
Bis Mitte der 1950er wurden so nahezu 100 neue stabile Teilchen entdeckt, so dass damals vom sog. Teilchen-Zoo die Rede war: Die entdeckten Teilchen hatten unterschiedlichste Eigenschaften und schienen bei dieser “Artenvielfalt” doch eher zufällig zu existieren. Nichtsdestotrotz gelang es im Rahmen der relativistischen Quantentheorien, den Teilchen unterscheidbare Eigenschaften zuzuweisen.
Anders als noch beim Periodensystem sind die Eigenschaften zahlreich. Neben der Masse und der Ladung eines Teilchens lassen sich z. B. auch Parität, Spin, Drehimpuls, Isospin
etc. festlegen. All diese Eigenschaften werden durch sog. Quantenzahlen
beschrieben. Die Aufgabe, aus diesen Quantenzahlen eine Systematik ähnlich eines Periodensystems zu erstellen, war ungleich komplizierter.
Schließlich gelang dies 1961 dem amerikanischen Physiker und späteren Nobelpreisträger Murray Gell-Mann. Die theoretische Grundlage hierfür bildeten neben relativistischen Quantentheorien wie der QED (Quantenelektrodynamik) auch mathematische Gruppentheorien.
Die Verwendung solcher Gruppentheorien in der Physik war zu dieser Zeit nahezu unbekannt, doch erst so wurde es möglich, die bekannten Teilchen mit ihren Eigenschaften in eine Systematik, nämlich in sog. Symmetriegruppen einzuordnen. Es zeigte sich, dass sich bevorzugt jeweils 8 Teilchen in eine Symmetriegruppe einordnen ließen, was Gell-Mann mit dem berühmten Begriff “Eightfold way” (als humorvolle Anspielung auf den im Buddhismus bekannten „achtfachen Weg“) kommentierte.
Diese Teilchenoktetts weisen ähnlich zum Periodensystem Symmetrieeigenschaften auf. D. h., erhöht oder erniedrigt man eine Quantenzahl eines Oktett-Teilchens, so gelangt man rein formal zu einem anderen Teilchen des Oktetts.
Im Periodensystem gelangt man analog z. B. durch die Erhöhung oder Erniedrigung der Atommassenzahl u zu einem anderen Element des Periodensystems.
Die mathematisch erlaubten Veränderungen der Teilchenquantenzahlen innerhalb eines Oktetts sorgen dafür, dass man so niemals zu Teilchen außerhalb des Oktetts gelangen kann.
Alle Teilchen des Oktetts besitzen Eigenschaften, die innerhalb des Oktetts also gleich bleiben und durch Erhöhung oder Erniedrigung von Quantenzahlen bzw. durch die Anwendung von sog. Transformationen unverändert bleiben.
In der Formelsprache bedeutet dies: das Teilchenoktett ist „symmetrisch“ unter solchen Transformationen.