Das Tao der Physik

Blasenkammer sitzt, s. vorangehendes
Foto)
    lisionsprozesse ähnlich denen in den Beschleunigerlaboratorien untersuchten von Natur aus ständig stattfinden. In einigen
Sternen erzeugen diese Prozesse eine äußerst starke elektromagnetische Strahlung in Form von Radiowellen, Lichtwellen
oder Röntgenstrahlen, die den Astronomen als wichtigste Informationsquelle über das Universum dient. Der interstellare
Raum wie auch der Raum zwischen den Galaxien ist somit voll
Erzeugung von sechzehn Teilchen in einer Pion-Proton-Kollision
    von elektromagnetischer Strahlung verschiedener Frequenzen,
d. h. voll von Photonen von verschiedener Energie. Dies sind
jedoch nicht die einzigen durch den Kosmos eilenden Teilchen.
Die »kosmische Strahlung« enthält neben Photonen auch Masseteilchen aller Art, deren Herkunft noch ungeklärt ist. Die
meisten von ihnen sind Protonen, von denen einige extrem
hohe Energien enthalten, weit höhere als die in den stärksten
Teilchenbeschleunigern erzielten.
    Wenn diese äußerst energiereichen »kosmischen Strahlen«
auf die irdische Atmosphäre treffen, stoßen sie mit den Kernen
der atmosphärischen Luftmoleküle zusammen und erzeugen
eine große Vielfalt sekundärer Teilchen, die entweder zerfallen
oder weiter Zusammenstöße erleiden, damit weitere Partikel
erzeugen, die wieder kollidieren und zerfallen und so weiter, bis
die letzten von ihnen die Erde erreichen. Auf diese Weise kann
ein einziges Proton, das in die irdische Atmosphäre gelangt,
eine ganze Kaskade von Vorgängen auslösen, in denen seine
ursprüngliche kinetische Energie zu einem »Regen« von verschiedenen Teilchen umgewandelt wird, die allmählich absorbiert werden, wenn sie die Luft unter vielen Zusammenstößen
durchdringen. Das gleiche Phänomen, das in den Kollisionsversuchen der Hochenergie-Physik beobachtet wird, tritt ständig
natürlich, aber weit heftiger in der irdischen Atmosphäre auf,
ein kontinuierlicher Fluß von Energie, der in einem rhythmischen Tanz von Erzeugung und Vernichtung eine große Vielfalt
von Partikelstrukturen durchläuft. Unten ist ein großartiges
Bild
dieses Energietanzes, das durch Zufall aufgenommen
wurde, als ein unerwarteter kosmischer Schauer eine Blasenkammer im europäischen Forschungszentrum CERN während
eines Experimentes traf.
    Ein Schauer von etwa hundert Teilchen, erzeugt von einem kosmischen Strahl,
der durch Zufall seinen Weg in die Nebelkammer fand. Die mehr oder weniger
horizontalen Spuren im Bild stammen von Teilchen aus dem Beschleuniger.
    Nicht alle Prozesse der Erzeugung und Vernichtung in der
Teilchenwelt kann man auf Blasenkammerfotos sehen. Es gibt
auch die Erzeugung und Zerstörung von virtuellen Partikeln,
die bei Teilchen-Wechselwirkungen ausgetauscht werden und
nicht lange genug leben, um beobachtet zu werden. Nehmen
wir zum Beispiel die Erzeugung von zwei Pionen bei einem Zusammenstoß von einem Proton mit einem Antiproton. Ein
Raum-Zeit-Diagramm dieses Vorgangs würde so aussehen:
    Man beachte, daß die Zeit in diesen Diagrammen von unten
nach oben verläuft! Es zeigt die Weltlinien des Protons (p) und
des Antiprotons
     
, die in einem Punkt in Raum und Zeit zu
    sammenstoßen,
sich gegenseitig vernichten und die beiden
Pionen (π + und π – ) erzeugen. Dieses Diagramm gibt jedoch
nicht das ganze Bild wieder. Die Wechselwirkung zwischen
dem Proton und dem Antiproton kann als Austausch eines vir
tuellen Neutrons dargestellt werden, wie das nächstfolgende
Diagramm zeigt. Ähnlich kann der auf dem Foto auf Seite 237
gezeigte Prozeß, wo in einer Proton-Antiproton-Kollision vier
Pionen erzeugt werden, als ein komplizierterer Austauschprozeß dargestellt werden, der die Erzeugung und Vernichtung
von drei virtuellen Teilchen umfaßt; zwei Neutronen und ein
Proton.
    Das entsprechende Feynman-Diagramm sieht so aus*:
    Die folgenden Diagramme sind nur schematisch und geben nicht die richtigen Winkel der Teilchenlinien an. Man beachte auch, daß das ursprüngliche
Proton, das in der Blasenkammer sitzt, auf dem Foto nicht erscheint, im
Raum-Zeit-Diagramm aber eine Weltlinie hat, da es sich in der Zeit bewegt.
    Dieses Beispiel verdeutlicht, wie die Linien in den Blasenkammerfotos nur ein grobes Bild von den Teilchen-Wechselwirkungen wiedergeben. Die tatsächlichen Prozesse stellen ein viel
komplizierteres Netzwerk des Teilchen-Austausches dar. Die
Lage wird in Wirklichkeit viel komplexer, wenn man bedenkt,
daß jedes an den Wechselwirkungen beteiligte Teilchen