Teilchenphysik aus heutiger Sicht: Eine Bestandsaufnahme aus Anlaß des Kolloquiumstages „125 Jahre Teilchenphysik in Aachen“ PDF
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Teilchenphysik aus heutiger Sicht Springer Berlin Heidelberg New York Barcelona Budapest Hongkong London Mailand Paris Santa Clara Singapur Tokio Siegfried Bethke Dieter Rein (Hrsg.) Teilehenphysik au s heutiger Sieht Eine Bestandsaufnahme aus AnlaB des Kolloquiumstages Jahre Teilchenphysik in Aachen (( ,,125 Springer Professor Siegfried Bethke Dr. Dieter Rein III. Physikalisches Institut A Physikzentrum RWTH D-52056 Aachen Das vorliegende Buch wurde publiziert mit Untersttitzung der RWTH Aachen. Umschlagbild: Das Hauptgebaude der RWTH Aachen vor einem Feuerwerk von Teilchen spuren auf einer Blasenkammeraufnahme der 70er Jahre. Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Teilchenphysik aus heutiger Sieht: eine Bestandsaufnahme / Hrsg.: Siegfried Bethke; Dieter Rein. Mit Beitr. von G. Fliigge ... - Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hongkong; London; Mailand; Paris; Santa Clara; Singapur; Tokio: Springer, 1998 ISBN-13: 978-3-642-80423-6 e-ISBN-13: 978-3-642-80422-9 DOl: 10.1007/978-3-642-80422-9 Dieses Werk ist urheberrechtlich gesehiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Naehdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfil mung oder der VervieWiltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine VervieWiltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland yom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulassig. Sie ist grundsatzlich vergiitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer· Verlag Berlin Heidelberg 1998 Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1998 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solehe Namen im Sinne der Warenzeichen-und Mar kenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und dailer von jedermann benutzt werden diirften. Abbildungsbearbeitung: Giinther Hippmann, Niirnberg Datenkonvertierung und Umbruch: Michael &alzhauser, Aachen Einbandgestaltung: Erich Kirchner, Heidelberg SPIN: 10629929 55/3144 -5 43210 -Gedruckt auf saurefreiem Papier Vorwort Als 1995 die 125. Wiederkehr des Grtindungstages der Rheinisch Westfiili schen Technischen Hochschule Aachen gefeiert werden sollte, schrieb der Rek tor an alle Institute und bat aus AnlaB des Geburtstagsjubilaums urn akade mische Veranstaltungen mit einschlagigem Bezug. Sollten wir nicht vielleicht, so fragten wir uns als Teilchenphysiker, ein Symposium tiber 125 Jahren Teil chenphysik in Aachen veranstalten? Das war zunachst spaBhaft gemeint und klang provo kant - reicht doch schon die Kernphysik, aus der die Teilchen physik als eigenstandiges Gebiet entstand, kaum vor die Zeit des Zweiten Weltkrieges zurtick. Doch auf den zweiten Blick bekam das Thema Sinn: Die Beschaftigung der Physiker mit elementaren Teilchen, zum Beispiel mit den noch immer als elementar geltenden Elektronen, ist ja viel alter, als wir vor dergrtindig meinen. Schon im vorigen Jahrhundert konnte man Strahlen von Elektronen erzeugen - Kathodenstrahlen, wie sie E. Goldstein 1876 nannte - und in Aachen wurde seit Grtindungszeiten mit Kathodenstrahlen experi mEmtiert, ja, die RWTH Aachen war sogar vor der Jahrhundertwende eine Hochburg der Kathodenstrahlphysik gewesen. Ein Titel "125 Jahre Teilchen physik in Aachen" wtirde also keineswegs fiktiv sein, sondern einen realen Sachverhalt bezeichnen und tiberdies Aufmerksamkeit auf sich ziehen. So entstand die Idee, gerade jetzt, jedoch im Rtickblick auf eineinviertel J ahrhunderte, den Standort dieser Elementarteilchenphysik zu bestimmen, zu sagen, was wir wissen tiber die elementaren Eigenschaften und tiber die fun damentalen Beziehungen der Materie - und dies vor dem Forum der gesamten Hochschule, ihrer Professoren aus den verschiedensten Disziplinen und ihrer Studenten, besonders der naturwissenschaftlichen Anfangssemester, die wir eines Tages als Diplomanden und Doktoranden in unseren physikalischen In stituten wiederzusehen hofften. Eine Konferenz zu veranstalten, schien dafUr unangemessen zu sein; ein einzelner Vortrag ware zu wenig und zu leicht gewesen. So entschieden wir uns fUr ein Drittes, einen Kolloquiumstag mit sechs allgemeinverstandlichen akademischen Vortragen, die alle an einem Tag gehalten wurden, und mit einem offentlichen Abendvortrag fUr ein breites Publikum aus der Stadt, von dem auch SchUler und Lehrer der Gymnasien etwas haben sollten. Die Ausarbeitungen dieser 7 Vortrage sind in dem vorliegenden Bandchen vereinigt. Wir glauben, daB sie - obwohl an einem speziellen Ort aus einem VI Vorwort speziellen AnlaB entstanden - ein weit dartiber hinaus reichendes allgemeines Interesse beanspruchen konnen. Denn es geht hier darum, das Muster aus wenigen Teilchen und Kraften darzustellen, welches allen materiellen Korpern und ihren dynamischen Be ziehungen zugrunde liegt. In frtiheren Jahrzehnten hatte man dieses Grund muster vermutlich Weltbild genannt. Der moderne Sprachgebrauch ist be scheidener und redet yom Standardmodell der Elementarteilchenphysik. Das Standardmodell eignet sich kaum zur philosophischen Ausdeutung, aber es ist umfassend, und es ist prazise definiert. Seine Folgerungen erklaren bislang fast (!) aIle Phanomene im subatomaren Bereich. Doch wie kam es dazu? Was war notig, um diese Erkenntnis, die im Stan dardmodell kristallisiert ist, zu gewinnen? Da ist zu allererst von den Be obachtungsinstrumenten zu sprechen, deren immer feinere und zugleich sich ins Gigantische steigernde Entwicklung all die Daten produzierte, aus denen die Deutungendes Standardmodells hervorwuchsen. Schon das Kathoden strahlrohr war ein Beschleuniger, aber die eigentlichen Teilchenbeschleuniger konnten doch erst gebaut werden, als es gelang, geladenen Teilchen mehr Energie mitzugeben, als der angelegten Primarspannung entsprach. Das geht heute mit einem Ringbeschleuniger oder mit einem Linearbeschleuniger. Bei de Prinzipien haben von einer einzigen Arbeit ihren Ausgang genommen: Wideroes Aachener Dissertation von 1927/28. Darum steht der Vortrag tiber die Faszination der Teilchenbeschleuniger, der tatsachlichen Agenda des Kol loquiumstages folgend, am Anfang dieser Sammlung von Essays, gleich hinter der Niederschrift des offentlichen Abendvortrages, der uns als ideale Einlei tung erschien. Das Standardmodell als theoretischer Entwurf bedurfte mehr als reiner Instrumentalistik, so bedingungslos notwendig diese auch ist. Das Standard modell sttitzt sich auf Entdeckungen wie ein Kathedraldach auf Pfeiler und Gesimse. Die Strebepfeiler des Standardmodells der vereinigten elektroma gnetischen und schwachen Wechselwirkung und der QeD heiBen "neutrale Strome",,, W- und Z-Bosonen" und "Gluonen". Bei all diesen Entdeckungen war Aachen beteiligt. Uber sie wird im Mittelteil berichtet. Immer wieder geht es dabei um Beweissicherung - Werkstatteinblicke in die Arbeit des Ex perimentators. So wird zugleich transparent, wie Forschung verfahrt: Hypo thesen sind zu verifizieren oder sie werden widerlegt. Die Vortrage listen nicht nur Tatsachen auf, sie beleuchten auch Alternativen, die verworfen worden sind und sagen warum. Sie sind personlich und doch nicht willktirlich, son dern der Strenge rationaler Argumentation verpfiichtet. Der Fachmann wird die Dichte der Informationen schatzen, der Laie mag tiber die Einzelheiten hinweglesen; er sieht doch im groberen Raster die gleiche Textur. Der Beitrag tiber Prazisionsmessungen bei LEP macht deutlich, daB Wis senschaft stets unfertig, unabgeschlossen und zukunftsoffen ist. Die runden 20 Monate, die seit dem Kolloquiumstag vergangen sind, haben hier schon dazu gefUhrt, den Autor um Zustimmung fUr ein erganzendes Postscriptum Vorvrort VII zu bitten. Der Elektron-Positron-Collider LEP hat im Jahre 1996 zvreimal hohere Energiestufen erreicht. Zum ersten Mal konnte man die schweren W Bosonen paarweise entstehen sehen - und ein verwunderliches MeBergebnis, das nicht zur theoretischen Erwartung aus dem Standardmodell zu passen schien, ist durch Wiederholung und Verbesserung entkraJtet worden. Der Ausklang dieses Buches hat mit dem zu tun, wie Forschung heute an immer groBeren, komplexeren Geraten organisiert werden muB, damit Er gebnisse gefunden werden konnen, damit das offene Erkenntnisfeld auch offen bleibt, damit die Zukunft fUr die Gegenwart gewonnen werden kann. Dabei zeichnet sich bei allen Schwierigkeiten, die das mit sich bringt, auch etwas sehr Schones ab: personliche Freundschaft tiber die Landergrenzen hinweg, die oft wie von selbst aus gemeinsamer Arbeit in internationaler wissenschaft licher Kollaboration entsteht. Unser Freund David Saxon aus Glasgow hat mit Humor und Warme davon berichtet. Es bleibt der Dank an alle, die das Zustandekommen dieses Vortragsban des ermoglichen halfen: an die Autoren, die die Mtihe auf sich nahmen, das gesprochene Wort noch einmal sorgfaltig fUr den Schriftsatz zu formulieren; an unsere Helfer in Aachen, welche die verschiedenen Versionen teils erzeug ten, teils gestalteten, umkopierten und vereinheitlichten; schlieBlich danken wir Herrn Professor Beiglbock und Frau Sabine Lehr fUr ihr Entgegenkom men bei der Planung des Buches und ftir ihre groBe Geduld bis zum Erhalt der Manuskripte. Aachen, s. Bethke im Juli 1997 D. Rein Inhaltsverzeichnis 125 Jahre Teilchenphysik an der RWTH Aachen Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft Gunter Flugge ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Faszination der Teilchenbeschleuniger - Von Wideroes Aachener Dissertation bis zum Linear-Collider der Zukunft Bjorn H. Wiik ............... . 41 Teilchenphysik: Status und Perspektiven Peter M. Zerwas . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Die Entdeckung der schwachen Neutralen Strome und der Schwachen Vektorbosonen meter Haidt ........................ . 87 Die groBen Entdeckungen bei PETRA Heinz Georg Sander . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 107 Prazise Tests des Standardmodells bei LEP Gregor Herten ..... . . . . . . . . . .. 133 Zukiinftige Projekte: Teilchenphysik in Internationalen Kollaborationen David H. Saxon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Glossar ..... 170 Sachverzeichnis . 193 Die Autoren dieses Bands Prof. Gunter Flugge III. Physikalisches Institut B Promotion 1970 in Hamburg, Physikzentrum RWTH Aachen Forschungsaufenthalte bei CERN Sommerfeldstr.14 und DESY, 52056 Aachen 1979 Extraordinarius in Karlsruhe, [email protected] seit 1986 Ordinarius in Aachen Dr. Dieter Haidt Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY Promotion 1969 in Aachen, Notkestr.85 CERN Staffmember, 22603 Hamburg seit 1979 Leitender Wissenschaftler [email protected] bei DESY Prof. Gregor Herten Fakultat fiir Physik Promotion 1983 in Aachen, Albert-Ludwigs Universitat Forschungsaufenthalte bei DESY, Herman-Herder Str. 3 und CERN 79104 Freiburg i. Br. 1986 Assistant Professor und [email protected] 1991 Associate Professor am MIT seit 1993 Ordinarius in Freiburg Prof. Heinz-Georg Sander Institut fUr Physik Promotion 1977 in Aachen, Johannes Gutenberg Universitat Forschungsaufenthalte bei DESY, Staudingerweg 7 seit 1989 Extraordinarius in Mainz 55099 Mainz [email protected] Prof. David H. Saxon Department of Physics and Astronomy Promotion (Ph.D.) 1970 in Oxford, Kelvin Building 1986 Dr. Sc., University of Glasgow Forschungsaufenthalte Glasgow G12 8QQ an der Columbia-University (N.Y.), Schottland, U.K. am Rutherford-Appleton Lab [email protected] und bei DESY, seit 1990 Kelvin Professor of Glasgow, Fellow of the Royal Society of Edinburgh 1993 Die Autoren dieses Bands XI Prof. Bjorn H. Wiik Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY Promotion 1965 in Darmstadt, Notkestr.85 seit 1981 Professor in Hamburg, 22603 Hamburg seit 1993 Vorsitzender bjoern. [email protected] des Direktoriums von DESY Prof. Peter M. Zerwas Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY Promotion 1970 in Aachen, Notkestr.85 Forschungsaufenthalte bei D ESY 22603 Hamburg und SLAC, [email protected] 1976 Extraordinarrus in Aachen, seit 1991 Leitender Wissenschaftler bei DESY
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