INFOcomics Teilchenphysik. Ein Sachcomic by TibiaPress Verlag GmbH

TOM WHYNTIE & OLIVER PUGH

Impressum www.infocomics.de

Titel: Teilchenphysik. Ein Sachcomic Reihe: INFOcomics (hrsg. von Wilfried Stascheit) Autor: Tom Whyntie Illustrationen: Oliver Pugh Umschlag: Edward Bettison Titel der englischen Originalausgabe: Particle Physics. A Graphic Guide Icon Books Ltd., London, 2010 © Text: Tom Whyntie © Illustrationen: Oliver Pugh

© 2014 deutsche Ausgabe: TibiaPress Verlag GmbH Ruhrpromenade 3, D- 45468 Mülheim an der Ruhr Tel.: +49 (0)208 88 37 57 47 info@tibiapress.de www.tibiapress.de Übersetzung: Wilfried Stascheit Fachberatung: Astrid Hiller Blin, Simon Schuster Weitere Beratung: Maik Haase Layout: Verlag Die Werkstatt, Göttingen Druck: Druckerei Uwe Nolte, Iserlohn Gedruckt auf GardaPat Classica

ISBN: 978-3-935254-44-1

Hier finden Sie unseren neuesten Katalog:

www.tibiapress.de/katalog Besucht uns auf Facebook: www.facebook.com/infocomics

Aus was sind wir gemacht? Wir können ein halbwegs angenehmes, lohnendes und auch sinnvolles Leben führen, auch ohne die Antwort auf Fragen zu kennen wie: „Was ist ein Quark?”

Du musst auch den Unterschied zwischen einem Myon und einem Gluon nicht kennen, wenn du nur eine Halbe Bier, ein Glas Wein oder eine kühle Limo bestellen willst.

Das Verständnis der Čerenkov-Strahlung wird dir nicht helfen, dich in einem großstädtischen U-Bahn-System zurechtzufinden. Auch ist es keine Voraussetzung (mit allen Vor- und Nachteilen), Kenntnisse in der Quantenmechanik zu haben, wenn man sich fortpflanzen will. 3

Aber wenn du einmal anfängst zu überlegen …

„Aus was besteht eigentlich dieser leckere und erfrischende Drink?

Aus was besteht dieser Tisch?

Aus was bestehen all diese schwitzenden, rastlosen Menschen?

Aus was bin ich gemacht?”

… dann wirst du schon ungewollt auf einer der größten intellektuellen, philosophischen und wissenschaftlichen Reisen sein, die man machen kann.

Du musst keine Angst haben! Du bist nicht der Erste, der das tut, und du wirst auch nicht der Letzte sein. Es ist eine uralte Sehnsucht, die schon eine Menge der besten Köpfe der Menschheit verwirrt, gequält und inspiriert hat. Es ist eine Reise, die uns von bescheidenen Holzbänken in quecksilbergetränkten Laborverschlägen zu todesmutigen Ballonflügen gebracht hat. Sie hat uns auf Berge und in Minen getrieben. Schließlich hat sie auch zur Konstruktion des riesigen Forschungstempels um den Large-HadronCollider am CERN in Genf geführt.

Es geht bei allem um die Suche nach der Antwort auf die Frage: „Aus was sind wir gemacht?” Darum geht es bei der Teilchenphysik.

Philosophie: Geist und Materie Traditionell waren Fragen wie „Aus was sind wir gemacht?” das Arbeitsgebiet der Philosophen. Einen berühmten frühen Versuch einer Antwort kann man in Platons Timaios (ca. 360 v. Chr.) finden.

Alles besteht aus vier Elementen: Erde, Luft, Feuer und Wasser.

Außerdem dachte man, dass diese Elemente selbst aus den platonischen Körpern (den vollkommensten Formen) bestehen würden. In Platons „Theorie von Allem” besteht Erde aus stapelbaren Hexaedern. Die relative Kompaktheit des Oktaeders eignet sich natürlicherweise für die Luft, die wir um uns herum vorfinden. Ikosaeder fließen fast genauso, wie wir es von Wasser erwarten. Und die Schärfe des Tetraeders erklärt eingängig, warum Feuer wehtut, wenn wir es berühren. (Aristoteles fügte noch ein fünftes Element hinzu. „Der Äther” sollte den Himmeln einen perfekten, unzerstörbaren Stoff geben.) 6

Man könnte von heute aus gesehen meinen, solche Theorien seien mal eben in einer Kneipe (oder ihrem klassischen Äquivalent) formuliert worden. Aber selbst noch im 18. Jahrhundert galten Theorien wie Descartes’ Dualismus (La Description du Corps Humain, 1617) und Leibniz’ Monadentheorie (Monadologie, 1714) als ziemlich vernünftige Ansätze zur Beschreibung der Realität.

Dualismus ist die Annahme, dass Geist und Körper getrennte Einheiten sind.

In der Monadologie beschreibe ich das Universum als eine Zahl fundamentaler, unteilbarer und unabhängiger Elemente, von denen jedes selbst die Gesamtheit spiegelt. Meine Monaden waren etwas Anschauliches.

Die Metaphysik Platon versuchte mit Hilfe seiner Elemente zu verstehen, woraus die Welt gemacht ist. Descartes’ Dualismus ging weiter. Er behauptete, dass der Stoff, der uns denken lässt, etwas anderes ist als der Stoff, aus dem wir bestehen. Diese Aufteilung aller Dinge in Geist oder Materie ist ein tolles Beispiel für Metaphysik – dem Zweig der Philosophie, der versucht, den Urgrund aller Aspekte des „Seins” zu beschreiben und zu verstehen.

Die These der Vereinigung von Geist und Materie durch die Existenz von ewigen, unteilbaren, nicht-interagierenden Mikrokosmen, die den ganzen Makrokosmos widerspiegeln, ist auch ein Beispiel für Metaphysik.

Und solange es nur bei ein paar Postulaten und Dogmen bleibt, ist daran nichts auszusetzen. 8

Der Empirismus Erst mit dem Aufkommen von John Lockes Empirismus im 17. Jahrhundert kam man auf den Gedanken, dass es auch lohnenswert wäre, die eigenen Ideen mit der Erfahrung zu vergleichen.

Das französische Wort für Erfahrung lautet „expérience”, daher kommt „Experiment”.

Dies entspricht unserer heutigen Definition von Wissenschaft und der Praxis der wissenschaftlichen Methode. Allerdings bedeutete „Wissenschaft” bis zum 19. Jahrhundert einfach „Wissen”. Man verwendete den Begriff „Naturphilosophie”, um rein theoretische Überlegungen zum Funktionieren der Welt zu beschreiben. 9

Die Experimentalphilosphie Lord Kelvin (1824-1907, geboren als William Thomson) errichtete das erste physikalische Labor in Schottland, der geistigen Heimat des Empirismus. Hier konnten Ideen wissenschaftlich getestet werden.

1867 schrieb ich meine Abhandlung über die Naturphilosophie zusammen mit Peter Tait. Sie schuf Voraussetzungen für vieles in der modernen Physik.

Seit dieser Zeit der brillanten Einzelkämpfer, die in kaum mehr als Hütten auf dem Universitätsgelände arbeiteten, haben wir viel erreicht. Heute braucht man für Experimente, die sich an die Grenzen unseres Wissens vortasten, Millionen – wenn nicht Milliarden – Dollar an Investitionen für Einrichtungen und Ausrüstung, die an die Ausstattung von Bond-Filmen erinnern. Zusätzliche Voraussetzung sind weltweite Computernetzwerke zum Speichern und Verarbeiten von Daten. 10

Und doch hält die moderne Teilchenphysik in vielen Aspekten an grundlegenden Einstellungen der Metaphysik fest. Sie prüft unser Konzept von dem, was real ist. Zwar könnte man nun einwenden, es sei unfair, die Kreativität der menschlichen Vorstellungskraft dadurch einzuschränken, dass man ihre Gedankenspiele an so etwas Trivialem wie der „Realität” überprüft. Ich persönlich sehe dies aber eher als Arbeit am Problem der Erforschung der uns umgebenden Realität. Jedenfalls konnten wir bislang durch die experimentelle Überprüfung unserer Ideen Zeuge des Triumphes der Materie über den Geist werden. Da wir auf einer sehr elementaren Ebene herausfinden wollen, was wirklich geschieht, denke ich, dass die Teilchenphysik auch eine Art „Experimentalphilosophie” ist.

Den Code verstehen Der große Richard Feynman (1918-1988) beschrieb die Wissenschaft etwa so: Es ist, als würde man versuchen, die Schachregeln zu lernen, indem man bei einem Spiel zuschaut. Er erhielt den (geteilten) Nobelpreis für Physik für seinen Beitrag zur Experimentalphilosophie. Die Reise, die in diesem Buch beschrieben wird, ähnelt vermutlich mehr einer Gruppe von Figuren in einem Computerspiel.

Das Ziel dabei ist nicht, zu gewinnen, die große Katastrophe aufzuhalten oder die meisten Punkte zu erspielen.

Die Figuren versuchen, den Computer-Code herauszufinden, der ihr eigenes Verhalten und das von ihrem gesamten Umfeld festlegt.

Röntgenstrahlen und Radioaktivität Kathodenstrahlen waren für die Entdeckung eines anderen wichtigen Phänomens maßgeblich, wenn auch eher zufällig. 1895 führte Wilhelm Röntgen (1845-1923) ein Experiment durch, das auf Hertz’ und Philipp von Lenards (1862-1947) Arbeit aufbaute. Bei diesem Experiment zeigte sich, dass Kathodenstrahlen direkt dünne Metallfolien durchdringen konnten.

Ich arbeitete mit einer abgedeckten Vakuumröhre in einem dunklen Labor, und zu meiner Überraschung sah ich, wie ein naher Bildschirm, der mit Barium-Platincyanid beschichtet war, aufleuchtete. 38

Obwohl solche Fluoreszenzbildschirme oft als eine Art primitiver Kathodenstrahldetektor genutzt wurden, war Röntgen überrascht, denn er hatte ihn ja gar nicht eingesetzt. Er war Teil eines anderen Experiments und stand nicht in der Bahn der untersuchten Kathodenstrahlen.

Ich erkannte, dass diese Fluoreszenz von einem neuen Typ von Strahlen verursacht wurde, die vom Ende der leuchtenden Kathodenstrahlröhre breit streuten. Ich nannte sie zunächst „X-Strahlen”.

Später nahm ich das erste Röntgenbild auf und zeigte damit die Knochen in der Hand meiner Frau.

1901 gewann Röntgen als Erster den Physiknobelpreis für die Entdeckung dieser elektromagnetischen Wellen (Röntgenstrahlen). Diese führte dann (wieder mit ein bisschen Glück) zu einer anderen Entdeckung, die ein weiterer Meilenstein war: Radioaktivität. Nachdem Henri Becquerel (1851-1908) von den Röntgenstrahlen gehört hatte, wollte er sofort herausfinden, ob verschiedene phosphoreszierende Salze ähnliche Ergebnisse zeigen, wenn man sie auf Fotoplatten aufbringt.

Meine anfängliche Idee – die Energie stamme daher, dass man die Salze vorher dem Sonnenlicht ausgesetzt hatte – wurde korrigiert, als ich erkannte: Uransalze brauchten kein Sonnenlicht, um ihre durchdringenden Strahlen zu erzeugen.

1903 teilte sich Becquerel den Nobelpreis für Physik mit Pierre Curie (1859-1906) und Marie Curie (18671934) „in Anerkennung für den außergewöhnlichen Einsatz, den er bei der Entdeckung der spontanen Radioaktivität zeigte”. 40

Auftritt Rutherford Röntgenstrahlen und Radioaktivität sorgten für große Aufregung bei Wissenschaftlern und der breiten Öffentlichkeit. Die Menschen waren von den Neuerungen, die diese Entdeckungen ermöglichten, begeistert, z. B. von den in ihren Schuhen aufgenommenen Röntgenbildern ihrer Fußknochen, den leuchtenden Uhrzeigern usw. Der dunklen Seite dieses rätselhaften Lichts waren sie sich (glücklicherweise?) noch nicht bewusst. Es fiel Ernest Rutherford (1871-1937) zu, die Natur dieses neuen Phänomens zu enträtseln. Geboren und aufgewachsen in Canterbury, Neuseeland, wurde Rutherford als erster Forschungsstudent im Cavendish Labor aufgenommen (normalerweise musste man dazu ein in Cambridge abgeschlossenes Studium haben).

Nach einigen anfänglichen Arbeiten über Radiowellen bekam ich (unter Supervision von J. J. Thomson) heraus, dass Röntgenstrahlen auch ein Teil des elektromagnetischen Spektrums sind – sie sind eine Form des Lichts.

Dann zeigte Rutherford (1903), dass Becquerels Strahlen in Wahrheit aus drei Strahlungstypen bestehen. Von diesen dreien identifizierte er die Alpha- und Beta-Typen und nannte den dritten Typ „Gamma”. Dieser war allerdings schon 1900 vom französischen Chemiker Paul Villard (1860-1934) entdeckt worden. Sie werden aufgrund ihrer „Durchdringungskraft” unterschieden. Allgemein gesprochen wendet man den Begriff „Strahlung” auf Teilchen oder Wellen an, die Energie übertragen, ohne ein Transportmittel zu benötigen.

Ab 1898 konnte ich an der McGill Universität in Montreal mit Gammastrahlen arbeiten. Ich musste wegen des bizarren Systems in Cambridge weiterziehen. Ich hätte mich dort erst nach vier Jahren für ein neues Forschungsstipendium bewerben können – und mir ging vorher das Geld aus.

Aber alles in allem war es ein fruchtbarer Wechsel. In Teamarbeit mit Frederick Soddy (1877-1956) konnte er zeigen, dass radioaktiver Zerfall zur Transmutation (Umwandlung) von Elementen führt. Damit löste er das Problem der Herkunft der scheinbar unbegrenzten Energiemenge.

Ich entwickelte auch das Konzept der „Halbwertszeit” von radioaktivem Material – grob gesagt: die Zeitspanne, in der sich die Radioaktivität eines Materials halbiert.

1908 erhielt er den Nobelpreis für Chemie „für seine Untersuchung des Zerfalls der Elemente und die Chemie radioaktiver Substanzen”. Aber der berühmteste Sohn der Südinsel (Neuseelands) hatte gerade erst angefangen. 43

Die Verwendung von Alphateilchen als Werkzeug Rutherford kehrte 1907 als Langworthy Professor für Physik an die Universität Manchester zurück. Dort setzte er seine Forschungsarbeit zur Radioaktivität fort. Er erkannte, dass Alphateilchen, obwohl an sich schon interessant, als Werkzeuge zur weiteren Untersuchung der Struktur von Materie verwendet werden können. Zusammen mit Hans Geiger (1882-1945) entwickelte er Methoden zur Nutzbarmachung seiner Alphastrahlung: Über Zinksulfidschirme, die kleine Lichtblitze erzeugten, und Ionisationskammern war es möglich, einzelne Alphateilchen aufzuspüren und zu zählen.

Wir zählten Alphateilchen in einer gegebenen Versuchsanordnung mit einer gegebenen Ladungsmenge. Daraus konnten wir eine Ladung von +2 für Alphateilchen herleiten.

Zusammen mit Thomas Royds schloss ich Alphateilchen in einer Vakuumröhre ein. Das gesammelte Gas stellte sich als Helium heraus – also nahmen wir an, dass die +2-Alphateilchen in Wirklichkeit Heliumatome waren, die zwei Einheiten ihrer elektrischen Ladung verloren hatten.

Gerüstet mit einem tieferen Verständnis für sein Arsenal von Alphateilchen, wandte Rutherford nun seine Aufmerksamkeit der Struktur von Atomen zu.

J. J. Thomson hatte vermutet, dass die negativ geladenen Elektronen (Korpuskel) in einem Atom gleichmäßig in einer Sphäre gleicher positiver Ladung verteilt sind, wie die Rosinen in einem Kuchen.

Ich wollte dieses Modell überprüfen. Dazu beschoss ich eine dünne Goldfolie mit positiv geladenen Alphateilchen.

Die gleichmäßige Verteilung der positiven und negativen Ladungen in den Goldatomen nach dem Rosinenkuchenmodell sollte die Bahn von positiv geladenen Projektilen eigentlich nur wenig stören. Allerdings zeigten erste Experimente von Geiger, dass die Alphateilchen über breitere Winkel gestreut waren, als es Thomsons Modell vorhersagte.

Rutherford 46

Das Atommodell Sie ahnten, dass sie da etwas Großem auf der Spur waren. Trotzdem tat Rutherford etwas, was alle großen Wissenschaftler bis heute tun: Er dachte an so manches fruchtlose Unterfangen, an seine vielen Verpflichtungen an einer Wissenschaftseinrichtung von internationalem Ruf und gab die möglicherweise erfolglose weitere Kleinarbeit an einen Assistenten ab. Der „glückliche” Student war Ernest Marsden (1889-1970). Seine Ergebnisse bestätigten nicht nur, dass die Alphateilchen weiter gestreut werden, als durch das Rosinenkuchenmodell anzunehmen war, sondern es kamen auch einige Alphateilchen direkt zurück zu ihrer Quelle.

Diese rückwärtige Streuung muss das Ergebnis einer einzigen Kollision sein … aber es ist unmöglich, ein Signal dieser Stärke zu erhalten, wenn nicht der größte Teil der Masse des Atoms in einem winzigen Kern konzentriert ist.

Quarks Wir hatten die Physiker der Teilchenbeschleuniger verlassen, als sie 1950 gerade mit dem Teilchenzoo kämpften. Es tauchten einfach überall neue Teilchen auf. Seine Nobelpreisrede von 1955 begann Willis Lamb (1913-2008) mit einer entsprechend ironischen Bemerkung:

Es gäbe so ein Gerücht, dass „der Entdecker eines neuen Elementarteilchens gewöhnlich mit einem Nobelpreis geehrt wird. Heute aber sollte solch eine Entdeckung mit einem 10.000 $ Bußgeld bestraft werden.”

Glücklicherweise hatten Gell-Mann und (der davon unabhängig arbeitende) Yuval Ne’eman (1925-2006) ein anderes Muster in den Teilchen entdeckt. Indem sie den Zoo in Gruppen arrangierten, die ihren quantenmechanischen Spin, ihre Seltsamkeit und ihre Ladung beschrieben, stellten sie wieder eine Art Ordnung her. In diesen Gruppen taten sich Lücken auf, die auf unentdeckte Teilchen hindeuteten, die im Weiteren auch gefunden wurden.

107

1962 benutzte Gell-Mann das Bild des buddhistischen „Achtfachen Weges“, um daraus auf die Existenz des seltsamen Omega-Teilchens zu schließen. Es wurde tatsächlich1964 mit Hilfe des Alternating Gradient Synchrotrons (AGS) in Brookhaven (Long Island) entdeckt.

Das Oktettmodell (Der achtfache Weg)

Inzwischen wurden Teilchenbeschleuniger andernorts gebaut, insbesondere am „Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire – CERN” im Schweizer Kanton Genf. 1954 von zwölf europäischen Regierungen gegründet, sollte es, getragen vom Geist internationaler Zusammenarbeit, Europas Wissenschaft gegenüber den Vereinigten Staaten konkurrenzfähig machen. CERNs erster Teilchenbeschleuniger, ein Synchro-Zyklotron, wurde schnell vom 28 Milliarden-Elektronenvolt-Proton-Synchrotron ersetzt. 108

Der „Achtfache Weg” war der Vorläufer von etwas viel Grundsätzlicherem. Gell-Mann und (der auch unabhängig von ihm arbeitende) George Zweig (geb. 1937), ein früherer Student von Feynman, erkannten, dass das Organisationsprinzip dieses Oktettmodells – eine Symmetrie – erklärbar wurde, wenn die entdeckten Teilchen überhaupt keine Elementarteilchen sind, sondern selbst aus kleineren Teilchen bestehen.

Ich nannte sie Quarks.

Ich nannte sie Asse.

Gell-Manns Namensgebung sollte sich durchsetzen. 109

Up, Down, Strange und Charm Zunächst gab es drei Quarks. Es gab die „Up”- und „Down”-Quarks. Ihren Namen hatten sie von ihrem quantenmechanischen Spin. Ein Proton hat zwei Up-Quarks und ein Down-Quark, und ein Neutron hat zwei Down-Quarks und ein Up-Quark. Und es gibt auch die Versionen aus Antimaterie: geladene Pionen bestehen aus einem Up-Quark und einem Anti-DownQuark oder einem Down-Quark und einem Anti-Up-Quark. Und dann gab es noch das „Strange”-Quark. Die „Seltsamkeit” (engl. strangeness) eines Teilchens war dann einfach die Zählung, aus wie vielen Strange-Quarks es bestand! Das Strange-Quark hatte eine größere Masse als die Up- und Down-Quarks, was die Strange-Teilchen schwerer machte. Das Omega-Baryon bestand aus drei StrangeQuarks (Baryonen bestehen aus drei Quarks oder drei Anti-Quarks).

110

Aber hiermit hörte es immer noch nicht auf. 1964 wiesen die Arbeiten von Sheldon Glashow (geb. 1932) und James Bjorken (geb. 1934), und später von Glashow, John Iliopoulos (geb. 1940) und Luciano Maiani (geb. 1941), die Existenz eines vierten Quarks nach: das „Charm”-Quark. Seine Existenz erklärte, warum bestimmte schwache Wechselwirkungen nicht beobachtet worden waren. 1974 nutzten miteinander konkurrierende Gruppen am AGS in Brookhaven und dem SPEAR Elektronen-Positronen-Collider des Stanford Linear Accelerator Center (SLAC’s) höhere Beschleunigungsenergien und entdeckten so fast zeitgleich das J/Psi-Teilchen. Die Entdeckung dieser neuen Teilchenflut, unter anderem mit dem schweren Charm-Quark, nannte man später etwas scherzhaft die „November-Revolution”.

111

Ladungsparität Würden die vier Quarks reichen? Offensichtlich nicht. Um zu verstehen, warum, müssen wir zu der Konzeption von Parität zurückkehren. Während die Physiker noch über die Verletzung der Parität in unserem Universum geschockt waren, beruhigten sie sich damit, dass die Kombination aus Parität und Ladung schon eine neue Symmetrie formen würde, die erhalten bliebe – die Ladungsparität oder kurz CP (für engl. charge-parity).

Ein positives Teilchen, das in einem „Ladungs”-Spiegel betrachtet wird, würde negativ erscheinen – es könnte seinen Partner aus Antimaterie sehen.

So wie ein linker Handschuh im „Paritäts”-Spiegel wie ein rechter Handschuh aussehen würde.

Im „Ladungs-Paritäts”-Spiegel sind beide, Ladung und Parität, vertauscht. Einem Universum, das der CP-Symmetrie gehorcht, wäre es egal, ob man rechts- oder linkshändig ist, solange man zusätzlich die 112 richtige Ladung hat. 112

Die Ankunft der Computer Aber die Drähte ermöglichten etwas noch viel Nützlicheres als die punktgenaue Positionierung: Die im Gas der Kammer produzierte Ionenzahl war proportional zur Energie der einfallenden Teilchen. Während die Ionen die Drähte trafen, getrieben durch die Hochspannungen, die an diese Drähte angelegt waren, erzeugten sie elektrischen Strom, der eine Messung der Teilchenenergie ermöglichte: mehr Energie, mehr Ionen, mehr Strom. Dieses Signal konnte dann von der Detektorelektronik ausgelesen werden und – das war entscheidend – auf Magnetbändern für spätere Analysen gespeichert werden. Ferner entwickelte man durch Driftkammern diese Idee weiter, indem man die Ionenbewegung zeitlich bestimmte, um so die Messungen zu verfeinern.

Die Automatisierung der Teilchenmessung und ihre Identifikation mit Hilfe von Computercodes konnte nun beginnen.

166

Das Nonplusultra (zumindest bis jetzt) der Hochpräzisions- und Hochgeschwindigkeits-Detektor-Technologie leistete der Computer in erster Linie im Inneren der Teilchendetektoren: SilikonHalbleiter-Scheiben, die auf ausgeklügelten Mikroprozessoren aufgebracht waren, konnten auf Mikrometer-Ebene alle paar Nanosekunden positionelle Messungen durchführen. Diese Silizium-Detektoren konnten nun als die elektronischen Blasenkammern fungieren, die benötigt wurden, um mit den Kollisionsraten des LHC fertigzuwerden.

Ironischerweise produzierten diese Detektoren jetzt zu viele Informationen, um sie selbst mit Computern in einem vernünftigen Zeitrahmen zu analysieren.

Die Auswahl potenziell interessanter Ereignisse benötigte einen Auslösemechanismus im Stil von Blackett (s. S. 77). 167

<h1>Informations-Management: Internet und Grid</h1> <p>Die Auslösemechanismen der LHC-Experimente wurden als Detektoren innerhalb von Detektoren geplant: relativ simple Messungen, die auf die Anwesenheit von etwas wie einem Higgs-Boson hindeuten konnten, wurden von Subsystemen durchgeführt, die im Tandem mit dem Mutterexperiment arbeiteten. Ein interessantes Signal des Auslösers startete die Auslesewerte und die Informationsspeicherung des ganzen Experiments. Aber selbst dann erforderte die Analyse der Daten, die von einem typischen Experiment der Teilchenphysik ausgegeben werden, einen neuen Mechanismus für das Teilen und Auswerten der Detektordaten.</p> <p>Tim Berners-Lee (geb. 1955) erstellte 1991 die erste Webseite des CERN. Dabei nutzte er die verschiedenen damals verfügbaren Internettechnologien auf brillante Weise, um auf dieser Basis ein Informationsmanagement-System (HTML, HTTP und URL) zu erschaffen, das der Ursprung des World Wide Web werden sollte.</p> <p>Das LHC sollte noch mehr als das benötigen – trotzdem: Die nun aufgeteilten Informationsauswertungs-Kapazitäten, die durch das „Grid” geboten wurden, wurden gebraucht, um die Terabytes des Detektor-Outputs an jedem Tag in nutzbare physikalische Ergebnisse umzuwandeln. Die Teilchenphysik hatte einen langen Weg hinter sich, um von Andersons akribischer Analyse der 1300 handausgelösten Nebelkammer-Fotografien nun zu diesen wenigen flüchtigen Blicken auf Antimaterie zu gelangen.</p>

168

Der LHC und seine Experimente wurden schließlich im Sommer 2008 fertiggestellt und eingerichtet – ein wenig hinter dem Zeitplan. Wie sein damaliger Hauptrivale, das Tevatron des Fermilab, enthielt der LHC zwei „Mehrzweck”-Detektoren: das CMS(Compact Muon Solenoid) und das ATLAS- (A Toroidal LHC ApparatuS) Experiment. Jedes von ihnen war so groß wie eine Kathedrale und hatte die Aufgabe, nach dem Higgs-Boson und jeder anderen neuen Physik zu suchen, die vielleicht in den ProtonProton-Kollisionen auftauchen würde.

Man hoffte, dass die konkurrierenden Experimente unabhängige Nachweise aller Entdeckungen des LHC erbringen würden; und der Antrieb, das Experiment zu sein, dessen Entdeckung von dem anderen bestätigt wird, schuf eine freundliche interne Rivalität.

169

Das große Einschalten

170

Am 10. September 2008 versammelte sich die Weltpresse in Genf für das größte „Einschalten” in der Geschichte der Teilchenphysik. Endlich sollte die größte und komplexeste Maschine, um deren Bau sich die Menschheit bemüht hatte, zum Laufen gebracht werden. Die Antwort auf die letzte Frage – „Was gibt den Teilchen im Standardmodell eine Masse?” – sollte gefunden werden. Im Kontrollzentrum des CERN leitete Lyn Evans (geb. 1945), der führende Kopf des LHC-Projekts, den Countdown. Viele der Journalisten reagierten amüsiert auf die lauten Jubelrufe und den Applaus, die ein winziger Blitz auf dem wandhohen Bildschirm der Kontrollstation auslöste.

Aber diese Blitze belegten vor der versammelten Menge, dass die Protonenstrahlen die ganzen 27 km des LHC-Teilchenbeschleuniger-Rings erfolgreich durchquert hatten, und waren das Resultat jahrzehntelanger Forschung, Erfindungsgabe und harter Arbeit, die nun zur Antwort auf die ultimative Frage führen würden. Oder wenigstens hätte führen sollen, wäre der LHC nicht neun Tage später abgestürzt.

Eine fehlerhafte elektrische Verbindung zwischen zwei der supraleitenden Magneten verursachte einen Kurzschluss, der ein Loch in dem Heliumkühlring verursachte. Dies führte zum Auslaufen von einigen Tonnen Helium in den unterirdischen Tunnel und multiplem Magnet-Quench (ein plötzlicher Temperaturanstieg macht den Supraleiter funktionsuntüchtig). Glücklicherweise wurde niemand verletzt. Aber mehr als 50 Magnete des LHC wurden beschädigt und mussten während der folgenden 14-monatigen Betriebspause ersetzt werden.

171

Aber dank der unermüdlichen Arbeit der Ingenieure am Teilchenbeschleuniger des CERN lief der LHC im November 2009 wieder und erreichte im März 2010 die Weltrekord-Kollisionsenergie von 7 TeV. Obwohl dies einen neuen Energiegrenzbereich für die Physiker eröffnete, waren 3,5 TeV pro Strahl nur die Hälfte der geplanten Energie, d. h. an den Magneten musste weitergearbeitet werden, damit sie die Protonenstrahlen zu dem machen würden, was man geplant hatte. Die Frage war in diesem Moment: Würden 7 TeV genug sein, um das Higgs-Boson zu finden? Die ersten Tage, im Verlauf derer sich jede mögliche schockierend neue Physik hätte zeigen können, vergingen größtenteils ohne Vorfall.

Der Mangel an neuen und aufregenden Teilchen ließ manche sogar schon über die Konsequenzen nachdenken, sollte der LHC nichts finden.

172

Eine neue Herausforderung aus den USA In der Zwischenzeit versuchte man am Tevatron, sich doch noch gegen den LHC durchzusetzen. Man hatte nicht die Energie oder Kollisionsrate des LHC, war aber immer noch in der Lage, Schritt für Schritt Higgs-Bosonen in bestimmten Massebereichen auszuschließen. Könnte die Schildkröte den Hasen überholen? Und wie es so läuft, sie konnte es nicht! Nach zwei Jahren Laufzeit ging das CERN den ungewöhnlichen Weg, Ergebnisse zu veröffentlichen, während man noch daran arbeitete. Vermutlich, um gegen bisherige Probleme mit Hallodris unter den Physikern anzukämpfen, die ungeprüfte Ergebnisse vom Tevatron und LHC in Weblogs veröffentlichten.

Im Dezember 2011 tauchten „verlockende Hinweise” für ein Higgs-artiges Signal in den Daten auf. 2003 Fermilab/Hahn

173

Am 4. Juli 2012 gaben die Sprecherin der ATLAS Kollaboration, Fabiola Gianotti (geb. 1962) und ihr Kollege vom CMS bekannt, dass ein Teilchen mit einer Masse von 125 GeV entdeckt worden war, das mit dem von Higgs fast 50 Jahre früher vorhergesagten Boson kompatibel ist. In den Worten des Generaldirektors des CERN in der folgenden Pressekonferenz:

Wir haben es.

Rolf Heuer Es sah schließlich so aus, als wäre das Standardmodell vollständig. Der Ursprung von Masse, der spontane Symmetrie-Bruch, das fehlende Stück des Teilchenphysik-Rätsels – wie auch immer man es nennen mag – war gefunden. Aber obwohl das LHC und seine Experimente in ihrer vorrangigsten Aufgabe triumphiert hatten, blieben viele Fragen übrig. Eine Reise war zu Ende, aber in welche Richtung sollte die Teilchenphysik nun gehen? – Was haben wir?

174

Index Äther 6, 23-26, 28-29 Alhazen 20 allgemeine Relativitätstheorie 138 Alphateilchen) 42, 44-47,54, 56, 66 Anderson, Carl 69, 75, 80, 85 Anderson, P. W. 144 Antimaterie 75-76 Anti-Neutron 97 Anti-Proton 97 Aristoteles 5 asymptotische Freiheit 121 Atom 14, 57 Atomkern 47 Atommasse 53 Atommodell 47-48 Atomzahl 53 Avogadro, Amedeo 17 Bahcall, John 184 Baryon 110, 117 Becquerel, Henri 40, 42, 59, 98 Berners-Lee, Tim 168 Betateilchen 42 Bethe, Hans 78 Bevatron 94, 97 Bjorken, James 111 Blackett, Patrick 76-77, 93, 165 Bohr, Niels 48-49, 57 Boltzmann, Ludwig 19 Born, Max 70 Boson 105, 177 Bottom-Quark 114 Brout, Robert 144-145 Brown, Robert 19 Butler, Clifford 92 Cabbibo, Nicola 114 Chadwick, James 56 Charpark, Georges 165 Cockcroft, John 88 Confinement 120 Coulomb, Charles-Augustin de 59 Cowan, Clyde Jr. 123-124 Cronin, James 113 Crookes, William 28-29, 59

Curie, Marie 40 Curie, Pierre 40 Dalitz, Richard 100 Dalton, John 16-19 Davis, Raymond Jr. 184 Davisson, Joseph 72 Davy, Sir Humphry 18 de Broglie, Louis 72 Demokrit 15 Descartes, René 7-8, 21 Dirac, Paul 69-76 Driftkammer 166 Dualismus 7-8 Dunkle Materie 178 Dyson, Freeman 79 Einstein, Albert 19, 52, 81 elektromagnetische Kraft 127-129 Elektron 30, 37, 121 Elektronenvolt 88 Elemente 6, 8, 14 Ellis, Jonathan 148 Empirismus 9 Englert, Francois 144-145 Evans, Lyn 170 Experimentalphilosophie 11-12 Faraday, Michael 27, 50, 59 Felder 50 Fermi, Enrico 99 Fermion 105, 177 Feynman, Richard 12, 79, 116 Fitch, Val Logsden 113 fotoelektrischer Effekt 52, 65 Frequenz 52 Funkenkammer 165 G-Stack 94 Gammastrahlen 42 Gassendi, Pierre 21 Gay-Lussac, J. L. 17 Geiger, Hans 44-45 Geiger-Müller-Röhre 163, 165 Geissler, J. H. W. 26-28 Gell-Mann, Murray 95, 97, 107-109 Gianotti, Fabiola 174 Glaser, Donald 96 191

Glashow, Sheldon 111, 130132 Gluon 119 Goldstein, Eugen 28 Goldstone, Jeffrey 143 Graviton 179-181 Gross, David 121 Guralnik, Gerald 144-145 Hadron 117 Hadronisation 120 Hagen, Carl 144-145 Hawking, Stephen 182 Heisenberg, Werner 70 Heisenberg´sche Unschärferelation 55 Hertz, Heinrich 32-34, 38 Hess, Victor 63, 75 Hierarchieproblem 176 Higgs, Peter 144-147 Higgs-Boson 146-155, 160162, 169, 172-178 Hittorf, Johann 28 Hooke, Robert 21 Huygens, Christiaan 21, 23 Iliopoulos, John 111 Impuls 67-69 Internet 168 Ion 37, 53 Ionisation 37, 61-63, 163 ISABELLE-Collider 150 Isotop 53 J/Psi-Teilchen 111 Joliot-Curie, Frédéric 56 Joliot-Curie, Iréne 56 Jordan, Pascual 70 Kaon 113 Kathodenstrahlen 26-31, 38 Kelvin, Lord (Thomson) 10 Kemmer, Nicholas 86 Kibble, Tom 144-145 kinetische Gastheorie 19 Kobayashi, Makato 114 Korpuskel 21, 23, 37, 52 Koshiba, Masatoshi 184 kosmische Strahlen 59-63, 66-68 Kosmotron 94 Ladungsparität (CP) 112 Lamb, Willis 107

Large Hadron Collider (LHC) 152-162, 167-182, 187188 Lattes, César 84 Lawrence, Ernest 89, 115 Lederman, Leon 114 Lee, Tsung Dao 102 Leibniz, Gottfried von 7-8 Lenard, Philipp 38, 49, 51-52 LEP-Collider 135, 154-155 Leprince-Ringuet, L. 92-93 Lepton 122-125 Licht 19-25, 50-52 Locke, John 9 magnetischer Moment 74 Maiani, Luciano 111 Marsden, Ernest 47 Maskawa, Toshihide 114 Masse 138-140, 175-176 Matrizenmechanik 70 Maxwell, James Clerk 19, 50-51 McMillan, Edwin 90 Meson, 82-83, 91, 117 Metaphysik 8 Meteorologie 60 Millikan, Robert 66, 68-69 Mills, Robert L. 130 Molekül 17 Monaden 7 Myon 84-85, 121 Nambu, Yoichiro 141 Nebelkammer 36, 64-69 Neddermeyer, Seth 80, 85 Ne’eman, Yuval 107 Neutrino 98-100, 124-125, 183-187 Neutrino-Oszillation 185 Neutron 56 Newton, Isaac 21-23 Nukleon 57 Occhialini, Giuseppe 76 Oktettmodell 108-109 Omega-Baryon 108, 110 Pacini, Domenico 62 Parität 101-103 Parton 116 Pauli, Wolfgang 99 Perl, Martin 122

Photon 49, 52 Pion 84-86, 90 Plato 6, 8, 14 Ploitzer, David 121 Pontecorvo, Bruno 185 Positron 75 Powell, C. F. 83, 85 Proton 54 Quantisierung 57, 72-73 Quantenchromodynamik (QCD) 118 Quantenelektrodynamik (QED) 76-77, 80-81 Quantenfeldtheorie (QFT) 70-71, 76, 78, 81-82 Quantentheorie 48-49 Quark 109-117 Rabi, Isidor Isaac 85 Radioaktivität 40-44, 59 Reines, Frederick 123-124 Rochester, George 92 Röntgen, Wilhelm 38-40 Röntgenstrahlen 39-41, 51 Rosinenkuchenmodell 46 Rubbia, Carlo 134, 149 Rutherford, Ernest 41-48, 51, 53-54 Salam, Abdus 130-132, 145 Schrödinger, Erwin 74-75 schwache Kraft 99-100, 127 Schwartz, Melvin 124 Schwinger, Julian 79 Seltsamkeit 95-96, 110 Silikon-Detektoren 167 Skobeltsyn, Dmitri 67 Soddy, Frederick 43 Sonnen-Neutrino-Problem 183-185 spezielle Relativitätstheorie 72-73, 138 Spin 54 spontaner Symmetriebruch 131 Standardmodell 103-106, 125-126, 174-176, 179, 183 starke Kraft 118 Steilchen 177-178 Steinberger, Jack 124 Strahlung 42 192

Stringtheorie 180 Super-Proton-Synchrotron (SPS) 134-135 Superconducting-SuperCollider (SSC) 151-153 Supersymmetrie 177-179, 187 Symmetrie 141-143 Synchrozyclotron 90 Synchrotron 91 ‘t Hooft, Gerardus 132 Tauon 122 Tau-Neutrino 125 Tau-Theta-Rätsel 100-103 Teilchenbeschleuniger 88-94, 108 Tevatron 114, 154, 169, 173 tief-inelastische Streuung 116 Thomson, G. P. 72 Thomson, J. J. 30-37, 41, 46 Top-Quark 114 Vakuumröhren 26-29 van der Meer, Simon 134 Veltman, Martinus 132 VieldrahtProportionalkammer 165 Villard, Paul 42 Walton, Ernest 88 Weinberg, Steven 130-132, 145 Wellentheorie 21, 24, 52 Wilczek, Frank 121 Wilson, C. T. R. 36, 60-62, 64-66 Wilson, Robert 115 winzige schwarze Löcher 181-182 World Wide Web 168 Wu, Chien-Shiung 102 Wulf, Theodore 62 Yang, Chen Ning 102, 130 Yukawa, Hideki 82-83, 85-86 Zweig, George 109 Zyklotron 89