Teilchenphysik

Die Teilchenphysik sucht nach den elementaren Bausteinen der Materie und den zwischen ihnen herrschenden Kräften.

Der größte Teil des Naturgeschehens unserer Alltagswelt beruht auf chemischen Verbindungen und Prozessen, die im Rahmen der Atomphysik erklärt werden können. Doch die Quelle der von der Sonne abgestrahlten Energie - Grundlage alles Lebens auf der Erde - , Radioaktivität und zahlreiche andere Phänomene sind damit nicht erklärbar. Die Forschungen der Teilchenphysik im 20. Jahrhundert haben Schichten der Wirklichkeit aufgedeckt, in die unsere Alltagswelt eingebettet ist und von denen sie bedingt wird.

Eine kurze Geschichte der Teilchenphysik

Die moderne Teilchenphysik begann 1898 mit der Entdeckung des Elektrons durch J.J. Thompson. In den folgenden Jahren wurden das Proton und Neutron und in der Höhenstrahlung das Positron als erstes Teilchen der Antimaterie, das Myon und verschiedene “Mesonen” (Pionen und Kaonen) entdeckt. Das auf Grund der Zerfallseigenschaften freier Neutronen von W. Pauli 1935 theoretisch geforderte Neutrino konnte 1956 experimentell nachgewiesen werden.

Mit der Entwicklung von Teilchenbeschleunigern (für Elektronen und Protonen) konnte ab der Mitte des 20. Jahrhunderts eine grosse Zahl quasistabiler Teilchen (Mesonen und Baryonen mit teilweise "seltsamen" Eigenschaften - der "Teilchenzoo") erzeugt werden und es wurde immer zweifelhafter, dass diese Teilchen fundamental sein sollten.

Mit der kühnen Annahme von M. Gell-Mann und G. Zweig im Jahre 1964, dass Hadronen (Mesonen und Baryonen) aus "Quarks" zusammengesetzt sein sollten, wurde eine neue, noch fundamentalere Ebene von Teilchen eingeführt. Obwohl Quarks nicht als freie Teilchen beobachtbar sind, konnte einerseits der Aufbau der Hadronen aus Quarks experimentell nachgewiesen werden und andererseits konnten mit zunehmender Energie weitere schwerere Quarks entdeckt werden (als letztes das top-Quark 1995 im Fermilab). Parallel dazu wurde als weiteres Lepton (neben Elektron und Myon) 1973 das Tauon entdeckt.

Nach den “Spielregeln” der Kernkraft (auch als starke Wechselwirkung bezeichnet) verbinden sich entweder 3 Quarks zu Baryonen (und entsprechend 3 Antiquarks zu Antibaryonen) oder je 1 Quark und Antiquark zu Mesonen. Das System aus zwei “Up”- Quarks und einem “Down”-Quark (uud) entspricht dem Proton und jenes aus 1 “Up”- Quark und 2 “Down”-Quarks (udd) dem Neutron. Da das d-Quark schwerer als das u-Quark ist, bewirkt die Basisreaktion d → u e- anti-νe den Zerfall freier Neutronen. Eine Vielzahl anderer möglicher Quarkkombinationen wurde experimentell nachgewiesen; sie erlauben es, die Eigenschaften der Quarks im Detail zu studieren.

Was gilt heute als fundamental?

Unser heutiges Wissen über die fundamentale Ebene der Wirklichkeit wird im sogenannten "Standardmodell" der Teilchenphysik dargestellt. In diesem Modell sind 6 Quarks und 6 Leptonen die Bausteine, die mit vier verschiedenen Kräften (elektromagnetische Kraft, starke und schwache Kernkraft und Gravitation) untereinander wechselwirken.

Auf dieser fundamentalen Ebene besteht eine Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie. Jedem Baustein der Materie entspricht ein Baustein der Antimaterie. Warum in unserer heutigen Welt Antimaterie eine verschwindend kleine Rolle spielt, ist eine wichtige Frage der Teilchenphysik.

Die Kräfte, die zwischen den Bausteinen wirken, werden nach heutigem Verständnis durch Teilchen vermittelt, die zwischen den Bausteinen ausgetauscht werden. So entsteht die elektromagnetische Wechselwirkung durch den Austausch von Photonen, die starke Wechselwirkung durch den Austausch von Gluonen und die schwache Wechselwirkung durch jenen von Vektorbosonen. (Die letzteren, nämlich W+, W- und Z0 wurde zum ersten Mal 1982 im CERN nachgewiesen.)

Die Summe einer riesigen Zahl von Beobachtungen und Messungen kann heute im "Standardmodell" der Teilchenphysik zusammengefasst und verstanden werden.

Experimentelle Teilchenphysik

Die experimentelle Teilchenphysik untersucht die Erzeugung von Teilchen in Kollisionen, Eigenschaften dieser Teilchen wie Ruhemasse, Ladung, Spin und Lebensdauer und die Möglichkeiten und Wahrscheinlichkeiten verschiedener Zerfallsprozesse.

Das Grundprinzip der Erzeugung von Teilchen in Kollisionen ist die von Einstein erkannte Äquivalenz von Energie und Masse ( E = m.c2). In Teilchenkollisionen kann kinetische Energie der kollidierenden Teilchen in die Masse neu erzeugter Teilchen verwandelt werden; je höher die Gesamtenergie der Kollision, umso mehr und/oder schwerere Teilchen können erzeugt werden. So verwendete Beschleuniger sind also "Teilchenfabriken".

Der grösste Teil der Teilchenexperimente wird heute in Beschleunigerzentren durchgeführt und zwar in zwei verschiedenen Weisen: Entweder werden die beschleunigten Teilchen (e+/-, p, anti-p, aber auch Ionen) aus den Beschleunigern ausgelenkt und mit Materie in Kollision gebracht. Diese Kollisionen können direkt beobachtet werden, oder aus den Kollisionsprodukten werden Säkundärstrahlen bestimmter Teilchensorten ausgewählt, mit denen weitere Experimente durchgeführt werden können. Die zweite Möglichkeit, die es erlaubt noch größere Schwerpunktsenergien zu erreichen, besteht darin, zwei gegenläufige Teilchenstrahlen kollidieren zu lassen. Trotz der sehr geringen Teilchendichte in den Strahlen, kann beim Durchdringen der Teilchenwolken (von bis zu 1012 Teilchen) eine große Anzahl von Kollisionen stattfinden. Deren Reaktionsprodukte werden in Detektoren aufgezeichnet, die möglichst hermetisch um den Kollisionspunkt herum aufgebaut werden.

Da manche Teilchen der kosmischen Höhenstrahlung Energien haben, die jene weit übertreffen, die in derzeitigen Beschleunigern erreicht werden können, werden weiterhin Experimente durchgeführt, um solche Reaktionen zu studieren. Dies geschieht durch Zusammenschalten einer grossen Zahl von Detektoren, die auf dem Land, im Meer, oder im Eis der Antarktis installiert werden.

Von den Teilchen des Standardmodells können nur Elektronen, Myonen und Photonen direkt beobachtet und gemessen werden; alle anderen Leptonen, Quarks und Austauschteilchen müssen durch die Messung von Reaktionsprodukten (aus Streuungen oder Zerfällen) rekonstruiert werden.

Ionisation, also das Auschlagen von Elektronen aus der Hülle von Atomen, ist der wichtigste physikalische Prozess, der zum Nachweis von Teilchen verwendet wird. Eine Vielzahl von Geräten wurde entwickelt, die es erlauben, die Ionisationssignale zu verstärken und elektronisch zu registrieren. Geladene Teilchen (Elektronen, Myonen und langlebige Hadronen, wie Protonen, Pionen und Kaonen) ionisieren Gase oder Halbleiter entlang ihrer Trajektorien. Werden die Detektoren in Magnetfeldern aufgebaut, so kann aus den Signalen der Impulsvektor der Teilchen am Wechselwirkungspunkt rekonstruiert werden. Sowohl geladene, als auch neutrale Teilchen (Photonen, Neutronen) können in Detektoren so abgebremst werden, dass sie ihre gesamte Energie durch Wechselwirkungen abgeben, die wiederum durch die dabei ausgelöste Ionisation gemessen werden kann ("Kalorimeter"). Durch Kombinantion der Messwerte einzelner Teilchen können die Eigenschaften der ursprünglichen Teilchen berechnet werden.

Theoretische Teilchenphysik

Das Standardmodell verwendet zur Beschreibung von Bausteinen und Kräften und ihrer Reaktionen relativistische Quantenfeldtheorien.

Wie schon der Name sagt, berücksichtigen diese Theorien alle Forderungen der zu Beginn des 20. Jhdt. aufgestellten Relativitäts- und Quantentheorie. Die Erhaltung von Energie, Impuls und Drehimpuls, sowie verschiedener Quantenzahlen ("Ladungen") in Teilchenerzeugung und -vernichtung und verschiedene charakteristische Eigenschaften der Teilchen, wie Ruhemasse, Spin und das daraus folgende Verhalten für Teilchen mit Spin 1/2 (Fermionen) und Spin 0 oder 1 (Bosonen) kann mit solchen Theorien konsistent beschrieben und berechnet werden.

Die Tatsache, dass im Standardmodell alle Bausteine Spin=1/2 Teilchen sind und alle Kräfte durch den Austausch von Spin=1 beschrieben werden, erlaubt es, formal ähnliche Theorien für die elektromagnetische, schwache und starke Wechselwirkungen (WW) zu formulieren. Eine konsistente Theorie der schwachen WW wurde überhaupt erst durch eine Vereinheitlichung mit der elektromagnetischen WW zur "elektro-schwachen Theorie" möglich. Die starke WW, die ursprünglich als Kraft zwischen den Hadronen verstanden wurde, stellt sich als Epiphänomen der Kraft zwischen Quarks heraus, denen zur Formulierung des Austausches von Gluonen drei "Farbladungen" zugewiesen werden. Die spezifischen Eigenschaften der drei Kräfte lassen sich theoretisch als innere Symmetrien in abstrakten mathematischen Räumen formulieren. Die Feldtheorien werden damit zu "Eichtheorien", in denen die inneren Symmetrien die Ladungen und Kräfte im kinematischen Raum repräsentieren und verursachen.

Auch die von A. Einstein formulierte Allgemeine Relativitätsthoerie der Gravitation ist eine Eichtheorie. Diese Theorie zu quantisieren und sie mit den Theorien der drei anderen Kräfte zu verbinden, ist eine bis jetzt ungelöste Aufgabe der theoretischen Physik.

Aktuelle Fragen der Teilchenphysik

Trotz des beeindruckenden Erfolgs des Standardmodells bleiben wichtige Fragen offen. Es gibt keine Erklärung dafür, warum sich der Satz von je zwei leichten Quarks und Leptonen noch zweimal bei höheren Massen wiederholt ("3 Familien"). Überhaupt stellt sich die Frage, wie ein so großer Massenunterschied zwischen den als gleich fundamental angenommen Bausteinen verstanden werden kann; das top Quark ist mindestens hundert Milliarden Mal schwerer als ein Neutrino. Die heute am häufigsten zur Erklärung vorgeschlagene Hypothese eines "Higgs Teilchens/Feldes", wird in der Frage “Was ist der Ursprung der Masse?” behandelt.

Die eng mit der Kosmologie verbundene Frage nach der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im Weltall wird in der Frage “Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie?” besprochen.

Sowohl die Bausteine als auch die Kräfte des Standardmodells werden in der modernen Teilchenphysik durch Teilchen, bzw. Felder beschrieben, wobei die Bausteine alle Spin=1/2 und die Kräfte alle Spin=1 haben. Ob sich dieser Unterschied vielleicht bei sehr hohen Energien aufhebt (“Supersymmetrie”) und ob sich alle Kräfte möglicherweise aus einer einzigen Kraft herleiten lassen wird in der Frage “Gibt es eine vereinheitlichte Beschreibung aller fundamentalen Wechselwirkungen?” untersucht.

Anwendungen der Teilchenphysik

Die großen technischen Herausforderungen beim Bau und Betrieb von Teilchenbeschleunigern und –detektoren, sowie in der Datennahme und –analyse verlangen hoch spezialisierte Entwicklungsarbeiten, die zu vielen technischen Neuerungen führen. Solche “spin-offs” der Teilchenphysik gibt es in den Bereichen Elektronik, Hochfrequenz- , Vakuum- und Kältetechnik, sowie in der Informationstechnologie. Das bekannteste Beispiel eines solchen spin-offs ist wohl das World Wide Web, das 1989 im CERN zum Informationsaustausch in internationalen Kollaborationen entwickelt wurde.

Der Entwicklungsbeitrag der Teilchenphysik ist naturgemäß besonders groß in allen Arten von Teilchen- und Strahlungsdetektoren: Drahtkammern, Szintillationszähler und Halbleiterdetektoren. Viele dieser Geräte wurden für Anwendungen in Technik und Medizin weiterentwickelt und ermöglichen durch ihre erhöhte Sensitivität eine beträchtliche Reduktion der für Untersuchungen notwendigen Strahlungsdosis.

Direkte Anwendungen der Teilchenphysik sind Positronemissionstomografen (PET) und die Hadrontherapie von Tumoren (z..B. MedAustron) in der Medizin und Anlagen zur Erzeugung hochintensiver Röntgenstrahlung für eine Vielzahl wissenschaftlicher und technischer Untersuchungen. Solche Röntgenstrahlen werden als Bremsstrahlung oszillierender Elektronstrahlen erzeugt (z.B. XFEL im DESY).

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