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

Energiebeträge verlangten einen Teilchenbeschleuniger, der Elektronen und die Photonen, die sie ausstrahlten, auf hinreichend hohe Energien beschleunigen konnte.
    Der erste ringförmige Teilchenbeschleuniger wurde aufgrund der kreisförmigen Bahnen, auf denen die Teilchen beschleunigt wurden, Zyklotron genannt. Ernest Lawrence baute das erste Zyklotron 1932 an der University of California. Sein Durchmesser betrug weniger als 30 Zentimeter, und nach modernen Standards war es sehr schwach. Es brachte nirgends auch nur annähernd die Energie hervor, die notwendig ist, um Quarks zu entdecken. Dieser Meilenstein war nur durch eine Reihe von Verbesserungen der Beschleunigertechnik zu erreichen (die nebenbei zu einigen wichtigen Entdeckungen führten).
    Lange bevor Quarks und die innere Struktur des Kerns erforscht werden konnten, erhielten Emilio Segrè und Owen Chamberlain 1959 den Nobelpreis für ihre Entdeckung von Antiprotonen am Bevatron des Lawrence-Berkeley-Labors, die 1955 erfolgte. Das Bevatron war ein höher entwickelter Beschleuniger als ein Zyklotron und konnte die Protonen auf eine Energie bringen, die mehr als das Sechsfache ihrer Ruhemasse betrug – mehr als genug, um Proton-Antiproton-Paare zu erzeugen. Der Protonenstrahl am Bevatron bombardierte sogenannte »targets« und brachte (durch die Magie von E = mc 2 ) exotische Materie hervor, zu der Antiprotonen und Antineutronen zählen.
    Antimaterie spielt eine große Rolle in der Teilchenphysik. Daher wollen wir einen kurzen Umweg nehmen, um dieses bemerkenswerte Gegenstück zur Materie, die wir beobachten, zu erkunden. Da die Ladungen von Materie- und Antimaterieteilchen sich zu null addieren, kann Materie zusammen mit ihrer entsprechenden Antimaterie vernichtet werden, wenn beide aufeinander treffen. Beispielsweise können sich Antiprotonen – eine Form von Antimaterie – mit Protonen verbinden, um Einsteins Gleichung E = mc 2 entsprechend reine Energie zu erzeugen.
    Der britische Physiker Paul Dirac »entdeckte« 1927 erstmals Antimaterie auf mathematischem Weg, als er versuchte, die Gleichung zu finden, die das Elektron beschreibt. Die einzige Gleichung, die er in Übereinstimmung mit bekannten Symmetrieprinzipien aufschreiben konnte, implizierte die Existenz eines Teilchens mit derselben Masse, aber einer entgegengesetzten Ladung – ein Teilchen, das noch nie jemand zuvor gesehen hatte.
    Dirac zerbrach sich den Kopf, bevor er angesichts der Gleichung kapitulierte und eingestand, dass dieses geheimnisvolle Teilchen existieren musste. Der amerikanische Physiker Carl Anderson entdeckte 1932 das Positron und bestätigte damit Diracs Behauptung, dass »die Gleichung klüger war als ich«. Antiprotonen, die bedeutend schwerer sind, wurden erst mehr als zwanzig Jahre später entdeckt.
    Die Entdeckung von Antiprotonen war nicht nur wichtig für die Feststellung ihrer Existenz, sondern auch für den Beweis einer Materie-Antimaterie-Symmetrie in den Gesetzen der Physik, die für die Prozesse im Weltall wesentlich sind. Die Welt besteht schließlich aus Materie, und nicht aus Antimaterie. Der größte Teil der Masse gewöhnlicher Materie wird von Protonen und Neutronen ausgemacht, und nicht von ihren Antiteilchen. Diese Asymmetrie von Materie und Antimaterie ist entscheidend für die Welt, die wir kennen. Doch wir wissen noch nicht, wie sie zustande kam.
    Die Entdeckung von Quarks
    Zwischen 1967 und 1973 leiteten Jerome Friedman, Henry Kendall und Richard Taylor eine Reihe von Experimenten, die die Existenz von Quarks im Innern von Protonen und Neutronen nachwiesen. Sie führten ihre Arbeiten an einem linearen Beschleuniger durch, der – im Unterschied zu den ringförmigen Zyklotrons und Bevatrons davor – Elektronen entlang einer Geraden beschleunigte. Das Beschleunigerzentrum hieß SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) und befand sich in Palo Alto. Die Elektronen, die im SLAC beschleunigt wurden, strahlten Photonen ab. Diese energiereichen – und folglich kurzwelligen – Photonen wechselwirkten im Innern der Kerne mit Quarks. Friedman, Kendall und Taylor maßen die Veränderung der Wechselwirkungsrate bei zunehmender Energie der Kollision. Ohne Struktur hätte die Rate abgenommen. Mit einer Struktur nahm die Rate immer noch ab, aber viel langsamer. Wie bei Rutherfords Entdeckung des Kerns viele Jahre zuvor streute das Projektil (in diesem Fall das Photon) anders, als wenn das Proton ein strukturloser Tropfen wäre.
    Dennoch war die