Bis(s) ins Innere des Protons: Ein Science Slam durch die Welt der Elementarteilchen, der Beschleuniger und Supernerds

295 Pages·2014·10.523 MB·German

by  Boris Lemmer (auth.)

Boris Lemmer
Bis(s) ins Innere
des Protons
Ein Science Slam durch die Welt
der Elementarteilchen,
der Beschleuniger und Supernerds
Bis(s)insInneredesProtons
Boris Lemmer
Bis(s) ins Innere
des Protons
Ein Science Slam durch die Welt
der Elementarteilchen, der Beschleuniger
und Supernerds
BorisLemmer
II.PhysikalischesInstitut
Georg-August-UniversitätGöttingen
Göttingen,Deutschland
[email protected]
ISBN978-3-642-37713-6 ISBN978-3-642-37714-3(eBook)
DOI10.1007/978-3-642-37714-3
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Vorwort
„Die Lokführer streiken am Wochenende“ lese ich in der Zeitung. Was ein
Lokführer macht, kann ich mir recht gut vorstellen. Und was passiert, wenn
er seine Arbeit nicht macht, auch. Auf den Bahngleisen wird nichts los sein,
dafür aber in den Bahnhöfen umso mehr. Vielleicht sollte ich für den Be-
suchbeimeinenElterneinpaarStundenmehreinplanen.Vielleichtsollteich
ihn auch ganz bleiben lassen. Es gibt aber auch Menschen mit Berufen, von
denen wir im Alltag eher weniger mitbekommen. O.k., ein Wissenschaft-
ler forscht. Vielleicht macht er dabei Dinge und benutzt Formeln, die man
nicht so leicht versteht. Wenn zum Beispiel ein Mediziner forscht, wird er
vielleichteinmal Medikamente und Therapieformenerfinden, die Menschen
heilen. Das versteht man. Es gibt da aber noch so eine ganz besondere Spe-
zies der Wissenschaftler: die Teilchenphysiker. Die kennt man jetzt aus dem
Alltageher nicht so sehr.Teilchenphysiker sind Menschen, die nachts inden
HimmelschauenunddabeiinsStaunenkommen.TausendevonSternen,und
dannauchnochsovieldrumherum,dasmannichtsehenkann.Dafragensie
sich:„AuswasbestehtunserUniversumeigentlich?Wiefunktioniertes?“Und
das,obwohlsieselbstimVergleichdazusowinzigsind.Teilchenphysikersind
Menschen, die sich morgens beimSchmieren ihres Wurstbrots auf die Hand
schauenundzusichsagen:„MillionenvonZellenmitMillionenwinzigerMo-
leküle,dieihreArbeiterledigen.Worausdiewohlbestehenundwas siewohl
zusammenhält?“TeilchenphysikerhabenihrekindlicheNeugierdezumBeruf
gemacht und gehen dabei an die Grenzen unserer Vorstellung und vielleicht
noch darüber hinaus. Sie wollenan jede Frage ein „Und woraus besteht das?
Und das dann wiederum?“ dranhängen. Für ihre Experimente gehen sie an
dieGrenzendestechnischMachbaren.UndbeiihrerArbeitüberschreitensie
jedeGrenzevonKultur,Herkunft undPolitik.
Der typische Physiker ist nicht gerade eine Rampensau, die die Bühne
sucht, hinaufrennt und sagt: „So, ich erzähl euch jetzt mal was über Phy-
sik! Ist gar nicht schwer, könnt ihr alle verstehen! Und witzig wird’s auch!“
Noch dazu geht der typische Nicht-Physiker auch nicht gerade abends mit
Freundenin einen Hörsaal, wo vorne eine Handvoll Physiker auf der Bühne
stehen, um sich dann erzählen zu lassen, was die Jungs so forschen. So weit
die Vorurteile. Die hatte ich auch. Doch im Februar 2011 musste ich mich
VI Bis(s)insInneredesProtons
eines Besseren belehren lassen. Meine Freunde leiteten mir eine Mail weiter
undschriebendazu:„Machdaauchmalmit!“EsgingumeinenScienceSlam.
Das isteine Veranstaltung, bei dertatsächlich eine Handvoll junger Forscher
auf die Bühne geht und die Jungs dann in zehn Minuten auf unterhaltsame
und verständliche Weise erzählen, was sie so forschen. Im Publikum sitzen
ganz normaleMenschen, jung und alt. Und die wollenetwas lernenund da-
beilachen.Tunsieauch.ZusolchenScienceSlamskommensogarüber1000
Menschen, trinken Bier und haben Spaß. Und am Ende darf das Publikum
danneinenSiegerbestimmen, derdenschönsten Vortraggehaltenhat. Dazu
gibt’s dann noch einen symbolischen Preis. In Münster ist das z.B. ein Plas-
tikhirnimEinmachglas.Zugegeben,ichfanddasKonzeptdesScienceSlams
an sich schön und interessant. Aber selbst auf die Bühne gehen? Nee, nee.
Zum Glück blieben meine Freunde und Kollegen hart und haben mich da-
zu gedrängt, selbst mitzumachen. Am 2. Februar 2011 stand ich dann zum
ersten Mal auf der Bühne, beim Science Slam der IdeenExpo in Hannover.
Boah,warichnervös. Ich sprachzehnMinuten überTeilchenphysikund die
Mengehatgetobt.Totalirre.IndenVortraghatteichvielArbeitgestecktund
mich gefragt: „Was ist denn besonders spannend?“ Und eigentlich habe ich
versucht, alldas,was indiesemBuchsteht, inzehn Minutenzuerklären. Als
TitelbrauchteicheinenWortwitz,ambesteninVerbindungmiteinemFilm,
denjederkennt.Kommtimmergut.UndsokamesdannzuElementarteilchen
– Bis(s)insInneredesProtons.DennimProton,dapassiertsoeiniges.Und es
ist verrückt, total verrückt. Daher werden wir in diesem Buch auch mal tief
insProtonreinbeißenundbisinseinInnerestes schauen–undnochweiter!
Zugegeben,TeilchenphysikersitzenauchnichtunbedingtbeiStefanRaab
oder Günther Jauch auf dem Sofa und plaudern munter drauf los, was sie
so tun: Wie sie rausfinden, woraus wir gemacht sind. Wie sie 27km lange
Tunnel graben, eine gigantische Maschine hineinbauen, Teilchen auf nahezu
Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und zur Kollision bringen. Wie sie da-
beiausdemNichtspureEnergieinMaterieumwandeln,vonderzuvornoch
keinMenschwusste,dasssieexistiert.WiesieMaschinenentwickeln,dievon
diesen Kollisionen Fotos machen müssen, und zwar 40 Millionen Mal pro
Sekunde. Wie sie mit 3000 Kollegenaus allen Ecken der Weltan einem Ex-
perimentarbeiten,amTag,inderNachtundamWochenende.Ohnebezahlte
Überstunden,getriebennurvonihrerNeugierde.Undwiesiedabeiganzbei-
läufigDingewiedasWorldWideWebentwickeln undandenRestderWelt
völligselbstverständlichweitergeben,auchohneBezahlung.
Wer jetzt denkt, dass solche Leute durchaus mal bei Raab oder Jauch auf
dem Sofa sitzen könnten und dass er selbst gerne mehr davon hören würde,
den lade ich herzlich ein, weiterzulesen. Wer jetzt denkt, dass all die Sachen,
die Teilchenphysiker machen, unverständlich sind und man sowieso nichts
Vorwort VII
verstehen werde, den lade ich ebenso herzlich ein, weiterzulesen. Denn auch
die kompliziertesten Dinge lassen sich immer durch praktische Beispiele aus
demAlltagdarstellen:dieGrundlagederKernfusionbeispielsweisedurchzwei
ÄffchenaufSkateboards,diesicheinenMedizinballzuwerfen.Also:Bereitfür
eineReisedurchdieWeltderElementarteilchen?Bereit,selbsteinExpertezu
werden?Dannmallos!
Hier rasch noch ein paarnützliche Informationen: An einigenStellen des
Buches befinden sich Links zu Websites und Videos, die einige Dinge an-
schaulich erklären. So kann man zum Beispiel ein Stück eines Teilchenbe-
schleunigers am CERN direkt anschauen, nachdem man gelernt hat, wie er
funktioniert.FürsolcheLinkswerdensogenannteQR-Codesverwendet.Man
kannsiemitdemHandyundeinementsprechendenProgrammscannenund
direktzum Link gelangen. Alternativ sind aber auch noch mal alle Links auf
folgenderSeitegesammelt:http://buchlinks.borislemmer.de
Während die Links Dinge oft besonders anschaulich darstellen, gibt es
manchmal Erklärungen, die etwas in die Tiefe und ins Abstrakte gehen. Da
brauchtmandannauchschonmal echte Formeln.SolcheAbschnitte sindin
den„Schlauboxen“ untergebracht. Man erkennt sie leicht und muss sie auch
nicht unbedingt lesen, um zu verstehen, wie es weitergeht. Aber alle Interes-
siertensindherzlicheingeladen,einenBlickdaraufzuwerfen.
MeinherzlicherDankgiltandieserStellealldenMenschen,diemirbeider
Entstehung des Buches behilflich waren. Anja Groth und Vera Spillner von
Springer Spektrum danke ich für die hervorragende Zusammenarbeit. Bes-
tenDankauchanalldiefreundlichenBild-Spender,dieunterdenjeweiligen
Abbildung erwähnt werden. Sie halfen, dieses Buch so lebendig zu machen.
Insbesonderedanken möchte ichichDana Burghardt, CERN,Matthias Ge-
orge,JohnJowett,AndreaKnue,AlexanderWastlsowiedenFoto-ModelsLisa
Brück,JuliaGeller,LindaPfaffundJoanaSchulze.
Inhaltsverzeichnis
1
KindlicherSpieltrieb:MotivationundLebenderTeilchenphysiker . . . . . . 1
1.1 Jederzeit,überallundinternational:einMeeting . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Teamwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 ÜberallaufderWeltzuHause . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 CERN–einDorf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2
Zutaten:dieWelt,zerlegtinEinzelteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1 KuhgasundWurstatom:dieFrage,wasElementarteilchen
vonAtomenunterscheidet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 Kleinundgeladen:dasElektron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 MurmelspielundRosinenkuchen:dasheitereRatespiel
umdieStrukturderAtome. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4 NeutralerKollege:dasNeutronalsweitereZutat. . . . . . . . . . . . . . 27
2.5 MitderNadelindieKnetkugel:dieStrukturderAtome . . . . . . . . . 34
2.6 MaterieausEnergiedankEDmc2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.7 Antimaterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.8 Leih dir was, solange niemand zuschaut: die Heisenbergsche
Unschärferelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.9 EinunsichtbarerneuerFreund:dasNeutrino. . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.10 WahreAlleskönner:dievierGrundkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.11 Sagen,wasnieverlorengeht:Erhaltungssätze . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.12 BastelkastenfürTeilchenphysiker:Feynman-Diagramme . . . . . . . . 92
2.13 KernfusionzumMitmachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3
BauplanfüreinUniversum–oderwasPhysikeramLHCuntersuchen . . . 97
3.1 EinseltsamerneuerFreund:dasStrange-Quark. . . . . . . . . . . . . . . 98
3.2 EinvollerBastelkasten:dasStandardmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.3 GottundseineWürfel:Wirkungsquerschnitte. . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.4 Kaputteszusammenbauen:Teilchenrekonstruktion . . . . . . . . . . . . 115
3.5 EvolutiondesUniversumsnachdemUrknall . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3.6 Wo’simWeltbildnochklemmt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.7 Problemelösen,Teilchenbesorgen!. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
X Bis(s)insInneredesProtons
4
AufdemProtonen-Highway:mehrüberTeilchenbeschleuniger . . . . . . . . 145
4.1 WiesoTeilchenbeschleunigen?–KollisionenundhoheDichte . . . . 146
4.2 TeilchenaufZackbringen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.3 DasPferdunddasLasso:starkeMagnete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.4 DenStrahlbändigen:Protonenoptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
4.5 DasvolleProgramm:einBeschleunigungszyklus . . . . . . . . . . . . . . 171
4.6 WenschickenwirambestenaufdieReise?. . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
5
AugenfürsUnsichtbare:mehrüberTeilchendetektoren . . . . . . . . . . . . . 195
5.1 DetektoralsKamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
5.2 Spurenhinterlassen,wennauchwinzigkleine. . . . . . . . . . . . . . . . 197
5.3 DasDingmitderÜberlichtgeschwindigkeit:Cherenkov-Detektoren. 205
5.4 Stopp,Teilchen!–Kalorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
5.5 WirbaueneinenDetektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
5.6 KonkurrentenmitgleichemZiel:ATLASundCMS . . . . . . . . . . . . . 226
5.7 Unsichtbaressichtbarmachen:Transversalimpulserhaltung. . . . . . . 228
5.8 Schnell,nimmdas!–DerTrigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
5.9 EineNachtaufSchicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
6
Lernen,wiedieWeltfunktioniert:mehrüberDatenanalyse . . . . . . . . . . 237
6.1 UnserePuzzlestücke:ObjekteimDetektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
6.2 Schauen,wasloswar:SelektionundRekonstruktion . . . . . . . . . . . 244
6.3 Monte-Carlo-Simulationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
6.4 Wievieldarf’sdennsein?–AnsprücheandieEDV. . . . . . . . . . . . . 253
6.5 Wasmansoallesmessenkann:Analysebeispiele . . . . . . . . . . . . . . 256
6.6 MitPechgemessen:Überlichtgeschwindigkeit,diekeinewar . . . . . 267
7
TeilchenphysikimAlltag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
7.1 CERN,GeburtsortdesWorldWideWeb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
7.2 TeilchenfüreinengutenZweck:Strahlentherapie . . . . . . . . . . . . . 275
7.3 Gehtdanochwas? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
8
Undweitergeht‘s!–Ausblick. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
Literaturverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
1
Kindlicher Spieltrieb:
Motivation und Leben
der Teilchenphysiker
©BorisLemmer
In meinem Alter falle ich ja nicht mehr auf Tricks rein. Vor allem nicht als
Physiker. Jeder von uns kennt es: das Süßigkeitenregal im Supermarktdirekt
vor der Kasse. Als kleine Belohnung für den anstrengenden Einkauf soll ich
mir etwas gönnen. So hätte der Supermarkt das vielleicht gerne. Aber nein,
nicht mit mir. Brauche ich nämlich gar nicht. Dann aber fällt mein Blick
auf etwas, was mich ergreift. Gerade als Physiker. Es weckt meine innersten
Instinkte. Ichmusseseinfachkaufen.
Es ist ein Überraschungsei. Es ist ja so viel mehr als nur eine in Eiform
gepressteSchokolade.Es enthält einGeheimnis inseinemInneren. „Na,was
meinstduwohl,wasinmirdrinist?“,scheintesmirzuzurufen.UnddasGe-
B.Lemmer,Bis(s)insInneredesProtons,DOI10.1007/978-3-642-37714-3_1,
©Springer-VerlagBerlinHeidelberg2014