Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

wie möglich sind, so dass wir die grundlegenden Bestandteile und Gesetze isolieren können. Die Idee ist, experimentelle Systeme zu schaffen, die so sauber sind, wie es die vorhandenen Ressourcen gestatten. Die Herausforderung für die Physiker besteht darin, die erforderlichen physikalischen Parameter zu erreichen, anstatt komplexe Systeme zu entwirren. Die Experimente sind schwierig, weil die Naturwissenschaft die Grenzen des Wissens erweitern muss, um interessant zu sein. Daher liegen sie häufig an der äußeren Grenze der Energien und Abstände, die für die Technik möglich sind.
    In Wahrheit sind Experimente in der Elementarteilchenphysik gar nicht so einfach, auch wenn präzise fundamentale Größen untersucht werden. Experimentalphysiker, die ihre Ergebnisse vorstellen, sind mit einer von zwei Herausforderungen konfrontiert. Wenn sie etwas Exotisches finden, müssen sie in der Lage sein, zu beweisen, dass es nicht das Ergebnis von gewöhnlichen Ereignissen ist, die vom Standardmodell vorhergesagt werden und die gelegentlich einem neuen Teilchen oder Effekt ähnlich sind. Wenn sie andererseits nichts Neues finden, müssen sie sich ihres Genauigkeitsgrades sicher sein, um eine striktere Grenze dafür zu präsentieren, was über die bekannten Effekte des Standardmodells hinaus existieren kann. Sie müssen die Empfindlichkeit des Messapparats hinreichend gut verstehen, um zu wissen, was sie ausschließen können.
    Um sich ihres Ergebnisses sicher zu sein, müssen die Experimentalphysiker in der Lage sein, diejenigen Ereignisse, die auf eine neue Physik hinweisen können, von den Untergrunds ereignissen zu unterscheiden, die sich aus den bekannten physikalischen Teilchen des Standardmodells ergeben. Das ist ein Grund dafür, dass wir viele Kollisionen brauchen, um neue Entdeckungen zu machen. Das Vorhandensein einer Vielzahl von Kollisionen garantiert genügend Ereignisse, die auf eine neue Physik hindeuten, um sie von »langweiligen« Prozessen des Standardmodells zu unterscheiden, denen sie ähnlich sein könnten.
    Daher erfordern die Experimente angemessene Statistik. Die Messungen weisen gewisse intrinsische Unsicherheiten auf, die ihre Wiederholung notwendig machen. Die Quantenmechanik sagt uns, dass die zugrunde liegenden Ereignisse ebenfalls solche Unsicherheiten enthalten. Die Quantenmechanik impliziert, dass gleichgültig, wie klug wir unsere Technik gestalten, wir nur die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Wechselwirkungen berechnen können. Diese Unsicherheit existiert unabhängig davon, wie wir die Messungen durchführen. Das bedeutet, dass die einzige Möglichkeit der genauen Messung der Stärke einer Wechselwirkung darin besteht, die Messung viele Male zu wiederholen. Manchmal ist diese Unsicherheit kleiner als die Unsicherheit der Messung und zu klein, um von Bedeutung zu sein. Aber manchmal müssen wir sie berücksichtigen.
    Die quantenmechanische Unbestimmtheit sagt uns z.B., dass die Masse eines zerfallenden Teilchens eine intrinsisch ungenaue Größe ist. Das Prinzip sagt uns, dass keine Energiemessung exakt sein kann, wenn die Messung eine endliche Zeit braucht. Die Zeit der Messung wird notwendigerweise kürzer sein als die Lebensdauer des zerfallenden Teilchens, welche die Größe der erwarteten Variation für die gemessenen Massen festlegt. Wenn also Experimentalphysiker Belege für ein neues Teilchen fänden, indem sie die Teilchen entdecken, in die es zerfällt, würde die Messung seiner Masse erfordern, dass sie diese Messung viele Male wiederholen. Obwohl keine einzelne Messung exakt wäre, würde der Durchschnitt aller Messungen dennoch gegen den richtigen Wert konvergieren.
    In vielen Fällen ist die quantenmechanische Unbestimmtheit der Masse geringer als die systematischen Unsicherheiten (Eigenabweichungen) der Messgeräte. Wenn das der Fall ist, können die Experimentalphysiker die quantenmechanische Unbestimmtheit der Masse ignorieren. Aber auch dann ist eine große Zahl von Messungen erforderlich, um die Präzision einer Messung wegen der probabilistischen Eigenart der beteiligten Wechselwirkungen zu garantieren. Wie beim Testen von Medikamenten helfen uns große Statistiken dabei, die richtige Antwort zu finden.
    Es ist wichtig zu erkennen, dass die mit der Quantenmechanik verknüpften Wahrscheinlichkeiten nicht völlig zufällig sind. Wir werden das in Kapitel 14 sehen, in dem wir die Masse des W -Bosons besprechen. Wir kennen die allgemeine Form der Kurve, die die