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

Identifikation von Quarks nicht ganz einfach, auch wenn Experimente mit der erforderlichen Energie durchgeführt wurden. Sowohl die Technologie als auch die Theorie mussten bis zu dem Punkt entwickelt werden, dass die experimentellen Signaturen vorhergesagt und verstanden werden konnten. Aufschlussreiche Experimente und theoretische Analysen, die von den theoretischen Physikern James Bjorken und Richard Feynman durchgeführt wurden, zeigten, dass die Raten mit den Vorhersagen übereinstimmten, die mit der Annahme einer Struktur im Innern des Kerns gemacht wurden, und demonstrierten dadurch, dass eine Struktur innerhalb von Protonen und Neutronen – nämlich Quarks – entdeckt worden war. Friedman, Kendall und Taylor wurde 1990 für ihre Entdeckung der Nobelpreis verliehen.
    Niemand hätte hoffen können, die eigenen Augen zu benutzen, um ein Quark und seine Eigenschaften direkt zu beobachten. Die Methoden waren notwendig indirekt. Dennoch bestätigten Messungen die Existenz von Quarks. Die Übereinstimmung von Vorhersagen und gemessenen Eigenschaften sowie vor allem die Erklärungskraft der Quark-Hypothese erbrachten den Nachweis für deren Existenz.
    Physiker und Ingenieure haben im Lauf der Zeit andere und bessere Arten von Beschleunigern entwickelt, die auf immer größeren Skalen betrieben wurden und Teilchen auf immer höhere Energien beschleunigten. Größere und bessere Beschleuniger erzeugten immer energiereichere Teilchen, die dazu benutzt wurden, die Struktur bei immer kleineren Abständen zu erforschen. Ihre Entdeckungen etablieren das Standardmodell, da jedes seiner Bestandteile entdeckt wurde.
    Fixed-Target-Experimente versus Teilchenbeschleuniger
    Die Art von Experiment, wodurch Quarks entdeckt wurden und bei dem ein Strahl beschleunigter Elektronen auf ortsfeste Materie gerichtet wurde, wird als Fixed-Target-Experiment bezeichnet. Es beinhaltet einen einzelnen Elektronenstrahl, der auf Materie gerichtet wird. Das Materie-Target ist ein leichtes Ziel.
    Die heutigen Höchstenergiebeschleuniger sind anders. Sie arbeiten mit zwei Teilchenstrahlen, die miteinander kollidieren, nachdem beide auf eine hohe Energie beschleunigt wurden (siehe Abbildung 21 zum Vergleich). Wie man sich vorstellen kann, müssen diese Strahlen äußerst genau auf einen kleinen Bereich fokussiert werden, um sicherzustellen, dass Kollisionen stattfinden können. Dadurch wird die Zahl von Kollisionen, die man erwarten kann, bedeutend reduziert, da ein Strahl viel wahrscheinlicher mit einem Stück Materie als mit einem anderen Strahl wechselwirkt.

Abb. 21: Einige Teilchenbeschleuniger lassen einen Teilchenstrahl mit einem feststehenden Target wechselwirken. Andere lassen zwei Teilchenstrahlen aufeinanderprallen.
    Kollisionen zweier Strahlen haben jedoch einen großen Vorteil. Diese Kollisionen können eine weitaus höhere Energie erreichen. Einstein hätte Ihnen den Grund dafür nennen können, dass »Collider«-Teilchenbeschleuniger jetzt gegenüber Fixed-Target-Experimenten favorisiert werden. Es hat damit zu tun, was als invariante Masse des Systems bezeichnet wird. Obwohl Einstein für seine »Relativitätstheorie« bekannt ist, meinte er, dass eine bessere Bezeichnung »Invariantentheorie« gewesen wäre. Das eigentliche Ziel seiner Suche bestand darin, eine Möglichkeit zu finden, die verhindert, dass man durch ein bestimmtes Bezugssystem irregeführt wird, um die invarianten Größen zu finden, die ein System charakterisieren.
    Diese Idee ist Ihnen wahrscheinlich vertrauter im Zusammenhang mit räumlichen Größen wie z.B. der Länge. Die Länge eines ortsfesten Objekts hängt nicht von seiner räumlichen Ausrichtung ab. Ein Objekt hat eine feste Größe, die mit Ihnen oder Ihren Beobachtungen nichts zu tun hat, und zwar im Unterschied zu seinen Koordinaten, die von einer willkürlichen Menge von Achsen und Richtungen abhängen, die von Ihnen festgelegt werden.
    Auf ähnliche Weise zeigte Einstein, wie man Ereignisse auf eine solche Weise charakterisieren kann, die nicht von der Ausrichtung oder der Bewegung eines Beobachters abhängt. Die invariante Masse ist ein Maß der Gesamtenergie. Sie sagt Ihnen, wie massereich ein Objekt sein kann, das mit der Energie in Ihrem System erzeugt wird.
    Um den Betrag der invarianten Masse zu bestimmen, könnte man auch fragen: Wenn Ihr System stillstehen würde – d.h., wenn es keine Gesamtgeschwindigkeit oder keinen Gesamtimpuls aufwiese –, wie viel Energie würde es enthalten?