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

Teilchen und sein Antiteilchen sich in Energie umwandeln können, welche wiederum jedes andere Teilchen und Antiteilchen zusammen erzeugen kann, solange sie nicht zu schwer sind und eine hinreichend starke Wechselwirkung mit dem ursprünglichen Teilchen-Antiteilchen-Paar aufweisen.
    Diese erzeugten Teilchen könnten im Prinzip neue und exotische Teilchen sein, deren Ladungen sich von den Ladungen der Teilchen im Standardmodell unterscheiden. Wenn ein Teilchen und sein Antiteilchen kollidieren, dann hat weder dieses Paar eine Nettoladung noch ein exotisches Teilchen plus sein Antiteilchen. Obwohl sich also die Ladungen des exotischen Teilchens von denen des Standardmodells unterscheiden können, haben ein Teilchen und ein Antiteilchen zusammen keine Ladung und können im Prinzip erzeugt werden.
    Wenden wir nun diese Überlegung auf Elektronen an. Wenn wir zwei Teilchen mit gleichen Ladungen, wie z.B. zwei Elektronen, kollidieren ließen, könnten wir nur Objekte erzeugen, die dieselbe Ladung haben wie die Objekte, die in die Kollision eingingen. Dadurch könnte nur entweder ein einzelnes Objekt mit der Nettoladung Zwei oder zwei verschiedene Objekte wie Elektronen entstehen, die jeweils die Ladung Eins besitzen. Das ist eine ziemlich große Einschränkung.
    Kollisionen mit zwei Teilchen, die dieselbe Ladung besitzen, bringen große Einschränkungen mit sich. Demgegenüber würde die Kollision von Teilchen und Antiteilchen viele neue Türen öffnen, was unmöglich wäre, wenn wir nur Teilchen miteinander kollidieren ließen. Aufgrund der größeren Zahl möglicher neuer Endzustände besitzen Kollisionen zwischen Elektronen und Positronen ein viel größeres Potential als solche zwischen zwei Elektronen. Zusammenstöße zwischen Elektronen und ihren Antiteilchen, den Positronen, haben sowohl nichtgeladene Teilchen wie das Z-Eichboson erzeugt (so funktionierte das LEP) als auch jedes Teilchen-Antiteilchen-Paar, das leicht genug war, um überhaupt zu entstehen. Obwohl wir einen hohen Preis zahlen, wenn wir bei den Kollisionen Antiteilchen verwenden – da diese so schwer gespeichert werden können –, so machen wir doch einen großen Gewinn, wenn die neuen exotischen Teilchen, die wir zu entdecken hoffen, andere Ladungen haben als die Teilchen, die wir kollidieren lassen.
    In jüngster Zeit verwendeten die Höchstenergie-Beschleuniger einen Protonenstrahl und einen Antiprotonenstrahl. Das erforderte natürlich eine Methode der Erzeugung und Speicherung von Antiprotonen. Effizient gespeicherte Antiprotonen waren eine der wichtigsten Errungenschaften des CERN. Früher, bevor das CERN den Elektronen-Positronen-Beschleuniger, LEP, baute, erzeugte die Forschungsanstalt hochenergetische Protonen- und Antiprotonenstrahlen.
    Die wichtigsten Entdeckungen, die aus den Kollisionen von Protonen und Antiprotonen am CERN hervorgingen, waren die elektroschwachen Eichbosonen, die die elektroschwache Kraft vermitteln und für die Carlo Rubbia und Simon van der Meer 1984 den Nobelpreis erhielten. Wie die anderen Kräfte wird auch die schwache Kraft durch Teilchen vermittelt. In diesem Fall werden sie als schwache Eichbosonen  – die positiv und negativ geladenen W - und neutralen Z-Vektor-Bosonen  – bezeichnet, und diese drei Teilchen sind für die schwache Kernkraft verantwortlich. Ich stelle mir die W - und die Z -Bosonen immer noch als die »verdammten Vektor-Bosonen« vor, was auf den Ausruf eines betrunkenen britischen Physikers zurückgeht, der in ein Wohnheim hineinstolperte, in dem Gastphysiker und Studenten einer Sommerschule – darunter ich – zu jener Zeit wohnten. Er machte sich Sorgen über Amerikas Dominanz und freute sich auf die erste wichtige Entdeckung Europas. Als die W - und Z -Vektor-Bosonen in den 1980er Jahren am CERN entdeckt wurden, wurde das Standardmodell der Elementarteilchenphysik, für das die schwache Kraft ein wesentlicher Bestandteil war, experimentell bestätigt.
    Entscheidend für den Erfolg dieser Experimente war die Methode, die Van der Meer zur Speicherung von Antiprotonen entwickelte, was offensichtlich eine schwierige Aufgabe ist, da Antiprotonen nichts lieber wollen, als Protonen finden, um mit diesen vernichtet zu werden. Bei Van der Meers Prozess, der als stochastische Kühlung bezeichnet wird, trieben die elektrischen Signale einer Menge von Teilchen ein elektrisches Gerät an, das jedem Teilchen mit besonders hohem Impuls »einen Tritt versetzte« und auf diese Weise die gesamte