Die Teilchenjäger

328 Pages·1995·7.467 MB·German

by  Professor Yuval Ne’eman, Professor Yoram Kirsh (auth.)

Die Teilcbenjager
Yuval Ne'eman Yoram Kirsh
Die Teilchenjager
Ubersetzt von Bernhardt Simon
Mit 103 Abbildungen
Springer
Professor Yuval Ne'eman
Mortimer and Raymond Saclder Institute of Advanced Studies
Tel-Aviv University, Ramat-Aviv, Tel-Aviv 69978, Israel
Professor Yoram Kirsh
The Open University ofIsrael
16, Klausner Street, Tel-Aviv 61392, Israel
Ubersetzer
Bernhardt Simon
Paul-Konig-Str. 76, 13053 Berlin
Titel der englischen Originalausgabe: Y. Ne'eman, Y. Kirsh: The Particle Hunters
@ Cambridge University Press 1986
ISBN-13:978-3-642-76114-0 e-ISBN-13:978-3-642-76113-3
DOl: 10.1007/978-3-642-76113-3
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Ne'eman, Yuval: Die Teilchenjliger 1 Yuval Ne'eman; Yoram Kirsh.
Ubers. von Bernhardt Simon. - Berlin; Heidelberg; New York; London; Paris; Tokyo; Hong Kong; Barcelona;
Budapest: Springer, 1995. ISBN-13:978-3-642-76114-0
NE: Kirsh, Yoram:
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1995
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Vorwort zur deutschen Ausgabe
Das akademische Jahr 1993/94 war ein dramatisches Jahr fur die Physik
der Elementarteilchen. Auf der Verlustseite (in mehr als einem Sinne) steht
die Streichung des Projekts fill den Superconducting Supercollider (SSC)
in Dallas, nachdem bereits mehr als zwei Milliarden Dollar fill den Bau des
neuen Beschleunigers ausgegeben worden waren. Auf der (wissenschaftli
chen) Gewinnseite steht die Bekanntgabe, daB das ,Top'-Quark, der bisher
schwerste ,element are' Materiebestandteil, 180 mal schwerer als ein Proton
oder Neutron, am Fermi National Laboratory beobachtet wurde. Dies ist
aufierdem der letzte ,Baustein' der Materie nach dem ,Standardmodell' , der
1975 erreichten theoretischen Synthese, welche die Schlufifolgerungen aus
der Erforschung der Materie bis zu den gegenwiirtig verfugbaren Energien
zusammenfaBt.
Die beiden Ereignisse veranschaulichen die zwangsHiufige Verbindung
zwischen Wissenschaft - reiner und angewandter - und Politik. Ein Grund
fur Bucher wie dieses - uber das grofie Vergnugen des Wissens und Verste
hens hinaus - liegt darin, der Offentlichkeit eine Vorstellung von sonst in
hohem Mafie fachspezifischen Problemen zu vermitteln.
Die erste Ausgabe unseres Buches erschien 1983 in hebraischer Sprache
bei Massada Pub. in Israel. Die englische Ubersetzung, herausgegeben 1986
von Cambridge University Press, mufite auf den neuesten Stand gebracht
werden, hauptsachlich wegen der Entdeckung der W - und Z-Mesonen am
CERN in Genf in den Jahren 1982 und 1983. Das Buch erlebte 1987 eine
zweite und 1989 eine dritte Auflage, jedesmal mit relativ geringen A.nderun
gen. Diese englische Ausgabe wurde fill die anderen Ubersetzungen - das
Buch ist in Italienisch (bei Boringhieri), Spanisch (Gedisa Ed.), Japanisch
(Keigaku Pub. Co.) erschienen - und jetzt fill die Ubersetzung ins Deutsche
benutzt. Da seit der ersten englischen Ausgabe mehrere Jahre vergangen
waren, hielten wir es fill lohnend, diese deutscheAusgabe grundlicher als
bei den fruheren Ubersetzungen zu uberpriifen und auf den neuesten Stand
zu bringen. Wir sind Prof. F. W. Hehl vom Institut fill Theoretische Phy
sik der Universitat zu K6ln fill seine systematische Prufung unserer Texte
in deutscher wie in englischer Sprache sehr dankbar, die etwa hundert zu
aktualisierende Textstellen ergab. 1m Ergebnis ist diese deutsche Ausgabe
faktisch auch eine Neuausgabe des gesamten Buches. Tatsachlich erwarten
VI Vorwort zur deutschen Ausgabe
wir das Erscheinen einer zweiten Ausgabe des Buches bei Cambridge Uni
versity Press, wobei alle Anderungen der deutschen in die englische Ausgabe
libernommen werden.
Besonderer Dank gilt Dipl.-Phys. Bernhardt Simon fill seine ausgezeich
nete Ubersetzung unseres Textes. Wir mochten auch Dr. H.-J. Koisch, dem
fUr dieses Buch zustandigen Herausgeber beim Springer-Verlag, fUr sein
Verstandnis und seine Unterstutzung bei der Gestaltung des Buches danken.
Urn zum Inhalt zurlickzukehren: Es ist bemerkenswert, daB deutsche
Arbeitsgruppen einen groBen Anteil an der Erforschung der Teilchenphysik
haben. HERA, der neue Beschleuniger am DESY in Hamburg, die deut
schen Arbeitsgruppen am Europaischen Kernforschungszentrum (CERN)
in Genf und in der unterirdischen Versuchsanlage im Gran Sasso-Tunnel
(GALLEX), Gruppen, die an Experimenten in den USA beteiligt sind - alle
arbeiten an der Forschungsfront ihres Fachgebiets. Wir hoffen, daB dieses
Buch dazu beitragen wird, ihre Tatigkeit und ihre Leistungen der deut
schen Offentlichkeit zur Kenntnis zu bringen. Es ist zuviel zu hoffen, daB sie
tatsachlich die Popularitat einer FuBball- oder Tennis-N ationalmannschaft
genieBen werden. Sie verdienen jedoch zweifellos das Interesse und die Un
terstlitzung der Offentlichkeit. Wir mochten gerne glauben, daB das vorlie
gende Buch auch zu diesem Erwachen beitragen konnte.
Tel-Aviv Yuval Ne 'eman
Dezember 1994 Yoram Kirsh
Vorwort zur englischen Ausgabe
Von ihren Anfangen an wurde in der Physik tiber die Frage nach den Grund
bausteinen der Materie nachgedacht. 1m vorigen Jahrhundert wurde nach
gewiesen, daB aIle Materie aus Atomen zusammengesetzt ist. In diesem
Jahrhundert ist die Wissenschaft weiter fortgeschritten, indem sie die in
nere Struktur des Atoms aufgedeckt hat. Heute ist allgemein bekannt, daB
der Atomkern aus Protonen und Neutronen besteht und daB Elektronen
sich urn den Kern herum bewegen. Damit ist die Geschichte aber nicht zu
Ende. In den vergangenen 40 oder 50 Jahren hat sich gezeigt, daB bei Zu
sammenstofien zwischen subatomaren Teilchen weitere Teilchen entstehen,
deren Eigenschaften und Verhalten Licht auf die Grundgesetze der Physik
werfen konnen. AIle diese Teilchen wurden - einigermaBen ungerechtfertigt
- Elementarteilchen genannt.
Die Untersuchung der subatomaren Struktur hat zur Entwicklung zweier
Gebiete der modernen Physik geftihrt: der Kernphysik, die sich damit be
faBt, das Verstandnis des Atomkerns als Ganzem und der im Kern ablau
fenden Prozesse zu f6rdern, und der Elementarteilchenphysik, des neuen
Grenzgebiets, in dem die Eigenschaften und die Struktur der verschiedenar
tigen Teilchen selbst und die Wechselwirkungen zwischen ihnen behandelt
werden. Bis Ende der vierziger Jahre war die Elementarteilchenphysik als
Teil der Kernforschung betrachtet worden, aber in den fUnfziger Jahren er
reichte sie den Status eines selbstandigen Gebietes der Physik.
Die Entdeckungen auf dem Gebiet der Kernphysik hatten weitreichende
Auswirkungen auf unser Leben, und jedermann ist mit ihren Anwendungen
vertraut: einerseits Kernwaffen von gewaltiger Zerstorungskraft und ande
rerseits Kernkraftwerke, welche die Energiekrise tiberwinden konnten, und
ktinstliche radioaktive Isotope, die in der Medizin, Landwirtschaft und In
dustrie Anwendung finden. Kurz gesagt, die Kernphysik ist in der breiten
Offentlichkeit wohlbekannt. Dies gilt aber nicht fiir die Elementarteilchen
physik. Sehr oft macht die Entdeckung eines neuen Teilchens Schlagzeilen,
aber fUr den Nichtfachmann ist es schwierig, den Entwicklungen zu folgen
und ihre Bedeutung richtig einzuschatzen. Dies liegt zum Teil daran, daB
zwar die Teilchenforschung heute als Grenzbereich der Physik betrachtet
wird, dafi es aber zu diesem Gegenstand wenige aktuelle und umfassende
VIII Vorwort zur englischen Ausgabe
Veroffentlichungen fUr den Nichtfachmann gibt. Das vorliegende Buch soIl
dazu beitragen, diese Lucke zu schlieBen.
Es ist uns eine angenehme Pfiicht, Dr. Simon Capelin von Cambridge
University Press und Professor Alan D. Martin fUr viele wert volle Anregun
gen zu danken, die dem Buch sehr zugute gekommen sind. Unser Dank gilt
auch Jenni Coombs ffu ihre Hilfe bei der Herausgabe des Buches, Jacob
Haimowitz fur das Lesen des Manuskripts und wichtige Anmerkungen, und
Esther Berger fUr ihre Hilfe bei der Ubersetzung eines Teils des Manuskripts
aus dem Hebraischen.
Tel-Aviv Yuval Ne'eman
September 1994 Yoram Kirsh
Inhaltsverzeichnis
1. Die Bausteine des Atoms .............................. 1
1.1 Die Anfange der Atomforschung ...................... 1
Die Entdeckung des Elektrons ........................ 2
Der Rutherfordsche Streuversuch .................. .. . 5
Elemente und Isotope ...................... ......... 8
1.2 Radioaktivitat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13. . . . . . . . . .
1.3 Die Bausteine des Atomkerns ... ....... .... .... .... .. 16
Das Proton .................. ..... ... ... ...... ..... 16
Das Neutron ... ..... ............................... 17
Kernkrafte .. ........... ... ......................... 19
1.4 Sichtbarmachen eines Teilchens ............. .......... 21
Nebelkammern und Blasenkammern ................... 24
Cerenkov-Zahler, Filme und Funkenkammern ........... 26
2. Physikalische Gesetze fUr kleine Teilchen ............... 29
2.1 Die Relativitatstheorie ......... ... .................. 29
Masse und Energie .................................. 31
2.2 Die Doppelnatur des Lichts .......................... 33
Was ist Licht? ...................................... 33
Strahlung des schwarzen Korpers ..................... 35
Wellen und Teilchen ................................ 37
Der Compton-Effekt ................................ 39
2.3 Das Bohrsche Atommodell ........................... 39
2.4 de Broglie: das Elektron ist eine Welle ................. 41
GroBe und kleine Korper ............................ 43
2.5 Quantenmechanik. . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . . . . . . . . . . .4 .4 . . .
Heisenberg und die ,magis chen Quadrate' ......... .. ... 45
Schrodinger und die Wellengleichung .................. 47
Die Heisenbergsche Unscharferelation ................. 49
Wahrscheinlichkeit in der Quantentheorie .............. 50
Revolution der Begriffe .............................. 52
2.6 Eigenschaften, die das Teilchen charakterisieren
- die Entdeckung des Spins .......................... 54
Was ist Spin? ......... ..... ........................ 55
X Inhaltsverzeichnis
Rotiert das Elektron wirklich urn seine Achse? 59
Spin und magnetisches Moment ..................... . 60
Das Paulische AusschlieBungsprinzip ................. . 62
Die GroBe eines Teilchens ........................... . 63
3. Die Entdeckungen der dreiBiger und vierziger Jahre 65
3.1 Kosmische Strahlung ............................... . 65
3.2 Entdeckung des Positrons ........................... . 67
Teilchen und Antiteilchen ........................... . 69
3.3 Das Neutrino und die schwache Wechselwirkung ....... . 71
3.4 Yukawas Theorie der starken Kraft ................... . 78
Was ist Kraft? 79
3.5 Das Mesonenratsel ................................. . 82
Neue Gesichter in der kosmischen Strahlung ........... . 82
Entdeckung des Myons und des Pions ................ . 83
Das neutrale Pion ................................. . 86
3.6 Die Eigenschaften der Pionen ....................... . 87
3.7 Die Eigenschaften der Myonen ...................... . 90
4. Teilchenbeschleuniger - oder von Jagern zu Ziichtern .. 93
4.1 Die erst en Beschleuniger ............................. 93
4.2 Konstruktion eines modernen Teilchenbeschleunigers .... 94
Linearbeschleuniger ................................. 97
Ringbeschleuniger .................................. 99
4.3 Der Physiker als Detektiv ............................ 106
Massen und Lebensdauern ........................... 108
Elektron- und Myon-Neutrinos ....................... 109
Messen des Spins ................................... 112
Das neutrale Pion .................................. 112
5. Seltsame Teilchen ...................................... 115
5.1 Der Anbruch einer neuen .Ara ........................ 115
Unbekannte Spuren ................................. 116
5.2 Seltsame Teilchen ................................... 117
6. Fundamentale Wechselwirkungen
und die Klassifikation von Teilchen 123
6.1 Die vier fundamentalen Wechselwirkungen ............. 124
Die gravitative Wechselwirkung ....................... 125
Die elektromagnetische Wechselwirkung ............... 129
Die schwache Wechselwirkung
und die elektroschwache Theorie ...................... 131
Die starke Wechselwirkung ........................... 133
Inhaltsverzeichnis XI
6.2 Die relative Starke der fundamentalen Wechselwirkungen 134
6.3 Die Klassifikation von Teilchen ....................... 138
7. Erhaltungssatze ........................................ 141
7.1 Erhaltungssatze und Symmetrien ..................... 141
7.2 Erhaltung der Energie und der Masse ................. 145
7.3 Die Erhaltung des Impulses .......................... 147
7.4 Die Erhaltung des Drehimpulses ...................... 151
Drehimpuls in der Quantenmechanik .................. 153
7.5 Die Erhaltung der elektrischen Ladung ................ 156
Neue Erhaltungssatze ............................... 157
7.6 Erhaltung der Baryonen- und Leptonenzahlen .......... 158
Erhaltung der Baryonenzahl ......................... 158
Erhaltung der Leptonenzahlen ........................ 161
7.7 Erhaltung der Seltsamkeit ........................... 163
Seltsamkeit und die neutralen Kaonen ................. 169
Seltsamkeit und Teilchenmultipletts ................... 170
7.8 Erhaltung des Isospins und seiner Komponente 13 ....... 172
7.9 Das TCP-Theorem .................................. 175
7.10 Erhaltung der Paritat ............................... 178
Rechts, links, Norden und Sliden ...................... 180
Der Spiegel verzerrt schwache Wechselwirkungen ........ 183
7.11 Erhaltungssatze - Zusammenfassung .................. 188
8. Kurzlebige Teilchen .................................... 191
8.1 Extrem kurzlebige Teilchen .......................... 191
8.2 Nachweisverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. 192
8.3 Immer mehr Resonanzen ............................ 199
8.4 Speicherringe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 201
Die Konstruktion von SPEAR ........................ 204
9. Zu den Quarks - tiber den achtfachen Weg ............. 207
9.1 Das Sakata-Modell .................................. 208
9.2 Der achtfache Weg .................................. 210
9.3. Entdeckung des Omega-Minus ........................ 216
9.4 Das Quarkmodell ................................... 221
9.5 Die eingeschlossenen Quarks ......................... 227
9.6 Experimenteller Beweis des Quarkmodells .............. 232
9.7 Farbige Quarks ..................................... 236
9.8 Quantenchromodynamik und Gluonen ................. 237
10. Weitere Quarks - oder Charm, Top und Bottom ....... 241
10.1 Die Theorie erfordert ein neues Quark ................. 241
10.2 Eine schmale Resonanz bei 3.1 GeV ................... 244