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

Experimente, die am SLAC und außerdem am Large Electron-Positron Collider (LEP) am CERN durchgeführt wurden (der schmeichelhafte Charakter dieser Bezeichnungen amüsiert mich stets), eine spektakuläre Genauigkeit bei der Bestätigung der Vorhersagen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik.
    Diese Experimente zu elektroschwachen Präzisionsmessungen nutzten die zahlreichen verschiedenen Prozesse aus, die aufgrund der Kenntnis der elektroschwachen Wechselwirkung vorhergesagt werden können. Beispielsweise konnte die Masse der Träger der elektroschwachen Kraft, die Zerfallsraten in verschiedene Teilchentypen und Asymmetrien in den vorderen und hinteren Teilen der Detektoren gemessen werden, was sogar noch mehr über die Natur der schwachen Wechselwirkungen aussagt.
    Bei elektroschwachen Präzisionsmessungen wird explizit die Idee der effektiven Theorie angewendet. Sobald die Physiker genügend Experimente durchgeführt haben, um die wenigen Parameter des Standardmodells zu bestimmen, wie z.B. die Stärke der Wechselwirkung von jeder der Kräfte, kann alles weitere vorhergesagt werden. Die Physiker überprüfen die Widerspruchsfreiheit aller Messungen und suchen nach Abweichungen, die uns sagen würden, ob etwas fehlt. Nach dem bisher Gesagten deuten die Messungen darauf hin, dass das Standardmodell außerordentlich erfolgreich ist – so erfolgreich, dass wir immer noch nicht die Anhaltspunkte haben, die wir brauchen, um zu wissen, was uns jenseits des Standardmodells erwartet, außer dass, was es auch sei, seine Wirkungen bei LEP-Energien klein sein müssen.
    Daran erkennen wir, dass die Gewinnung von mehr Informationen über schwerere Teilchen und Wechselwirkungen bei höheren Energien die direkte Erforschung von Prozessen bei Energien erfordert, die beträchtlich höher sind als diejenigen, die am LEP und SLAC erreicht wurden. Kollisionen von Elektronen werden einfach nicht die Energien erreichen, von denen wir glauben, dass sie notwendig sind, um die Frage zu entscheiden, was den Teilchen ihre Masse verleiht und warum sie diese und jene Masse haben – zumindest nicht in der nahen Zukunft. Dazu sind Kollisionen von Protonen erforderlich.
    Aus diesem Grund beschlossen die Physiker, Protonen anstelle von Elektronen in dem Tunnel zu beschleunigen, der in den 1980er Jahren gebaut wurde, um den LEP zu beherbergen. Das CERN brach schließlich den LEP-Betrieb ab, um Platz für die Vorbereitungen für sein neues riesiges Vorhaben zu schaffen, den LHC. Da Protonen nicht annähernd so viel Energie abstrahlen, treibt sie der LHC auf weitaus effizientere Weise zu höheren Energien. Die Kollisionen im LHC sind zwar chaotischer als die mit Elektronen, und es gibt zahlreiche experimentelle Herausforderungen. Aber mit Protonenstrahlen haben wir die Möglichkeit, Energien zu erreichen, die hoch genug sind, um uns unmittelbar die Antworten zu geben, nach denen wir jahrzehntelang gesucht haben.
    Teilchen oder Antiteilchen?
    Wir müssen jedoch immer noch eine weitere Frage beantworten, bevor wir entscheiden können, was wir kollidieren lassen. Schließlich sind an Kollisionen zwei Strahlen beteiligt. Wir haben uns dafür entschieden, dass hohe Energien einen Strahl aus Protonen erfordern. Aber soll der andere Strahl aus Teilchen – d.h. Protonen – oder aus ihren Antiteilchen – also Antiprotonen – bestehen? Protonen und Antiprotonen haben dieselbe Masse und daher auch dieselbe Strahlungsrate. Andere Kriterien müssen angewendet werden, um zwischen beiden zu entscheiden.
    Es gibt eindeutig mehr Protonen. Wir stellen nicht sehr viele herumliegende Antiprotonen fest, da sie durch die im Überfluss vorhandenen Protonen in unserer Umgebung vernichtet und sich in Energie oder in andere elementarere Teilchen umwandeln würden. Warum sollte man die Herstellung von Antiteilchenstrahlen also überhaupt in Betracht ziehen? Was gewinnt man dabei?
    Die Antwort könnte sein: einiges. Erstens ist die Beschleunigung einfacher, da dasselbe magnetische Feld dazu benutzt werden kann, sowohl Protonen als auch Antiprotonen in entgegengesetzte Richtungen zu leiten. Aber der wichtigste Grund hat mit den Teilchen zu tun, die erzeugt werden könnten.
    Teilchen und Antiteilchen haben zwar die gleiche Masse, aber entgegengesetzte Ladungen. Das bedeutet, dass das einlaufende Teilchen und Antiteilchen zusammen genau dieselbe Ladung tragen wie reine Energie – nämlich überhaupt keine. Der Formel E=mc 2 zufolge bedeutet das, dass ein