Teilchenphysik aus heutiger Sicht: Eine Bestandsaufnahme aus Anlaß des Kolloquiumstages „125 Jahre Teilchenphysik in Aachen“

204 Pages·1998·9.108 MB·German

by  Günter Flügge (auth.), Professor Siegfried Bethke, Dr. Dieter Rein (eds.)

Teilchenphysik aus heutiger Sicht
Springer
Berlin
Heidelberg
New York
Barcelona
Budapest
Hongkong
London
Mailand
Paris
Santa Clara
Singapur
Tokio
Siegfried Bethke
Dieter Rein (Hrsg.)
Teilehenphysik
au s heutiger Sieht
Eine Bestandsaufnahme
aus AnlaB des Kolloquiumstages
Jahre Teilchenphysik in Aachen ((
,,125
Springer
Professor Siegfried Bethke
Dr. Dieter Rein
III. Physikalisches Institut A
Physikzentrum RWTH
D-52056 Aachen
Das vorliegende Buch wurde publiziert mit Untersttitzung der RWTH Aachen.
Umschlagbild: Das Hauptgebaude der RWTH Aachen vor einem Feuerwerk von Teilchen
spuren auf einer Blasenkammeraufnahme der 70er Jahre.
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Teilchenphysik aus heutiger Sieht: eine Bestandsaufnahme / Hrsg.: Siegfried Bethke; Dieter Rein.
Mit Beitr. von G. Fliigge ... - Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hongkong; London;
Mailand; Paris; Santa Clara; Singapur; Tokio: Springer, 1998
ISBN-13: 978-3-642-80423-6 e-ISBN-13: 978-3-642-80422-9
DOl: 10.1007/978-3-642-80422-9
Dieses Werk ist urheberrechtlich gesehiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung,
des Naehdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfil
mung oder der VervieWiltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben,
auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine VervieWiltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses
Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der
Bundesrepublik Deutschland yom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulassig. Sie ist grundsatzlich
vergiitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.
© Springer· Verlag Berlin Heidelberg 1998
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1998
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch
ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solehe Namen im Sinne der Warenzeichen-und Mar
kenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und dailer von jedermann benutzt werden diirften.
Abbildungsbearbeitung: Giinther Hippmann, Niirnberg
Datenkonvertierung und Umbruch: Michael &alzhauser, Aachen
Einbandgestaltung: Erich Kirchner, Heidelberg
SPIN: 10629929 55/3144 -5 43210 -Gedruckt auf saurefreiem Papier
Vorwort
Als 1995 die 125. Wiederkehr des Grtindungstages der Rheinisch Westfiili
schen Technischen Hochschule Aachen gefeiert werden sollte, schrieb der Rek
tor an alle Institute und bat aus AnlaB des Geburtstagsjubilaums urn akade
mische Veranstaltungen mit einschlagigem Bezug. Sollten wir nicht vielleicht,
so fragten wir uns als Teilchenphysiker, ein Symposium tiber 125 Jahren Teil
chenphysik in Aachen veranstalten? Das war zunachst spaBhaft gemeint und
klang provo kant - reicht doch schon die Kernphysik, aus der die Teilchen
physik als eigenstandiges Gebiet entstand, kaum vor die Zeit des Zweiten
Weltkrieges zurtick. Doch auf den zweiten Blick bekam das Thema Sinn: Die
Beschaftigung der Physiker mit elementaren Teilchen, zum Beispiel mit den
noch immer als elementar geltenden Elektronen, ist ja viel alter, als wir vor
dergrtindig meinen. Schon im vorigen Jahrhundert konnte man Strahlen von
Elektronen erzeugen - Kathodenstrahlen, wie sie E. Goldstein 1876 nannte
- und in Aachen wurde seit Grtindungszeiten mit Kathodenstrahlen experi
mEmtiert, ja, die RWTH Aachen war sogar vor der Jahrhundertwende eine
Hochburg der Kathodenstrahlphysik gewesen. Ein Titel "125 Jahre Teilchen
physik in Aachen" wtirde also keineswegs fiktiv sein, sondern einen realen
Sachverhalt bezeichnen und tiberdies Aufmerksamkeit auf sich ziehen.
So entstand die Idee, gerade jetzt, jedoch im Rtickblick auf eineinviertel
J ahrhunderte, den Standort dieser Elementarteilchenphysik zu bestimmen, zu
sagen, was wir wissen tiber die elementaren Eigenschaften und tiber die fun
damentalen Beziehungen der Materie - und dies vor dem Forum der gesamten
Hochschule, ihrer Professoren aus den verschiedensten Disziplinen und ihrer
Studenten, besonders der naturwissenschaftlichen Anfangssemester, die wir
eines Tages als Diplomanden und Doktoranden in unseren physikalischen In
stituten wiederzusehen hofften.
Eine Konferenz zu veranstalten, schien dafUr unangemessen zu sein; ein
einzelner Vortrag ware zu wenig und zu leicht gewesen. So entschieden wir
uns fUr ein Drittes, einen Kolloquiumstag mit sechs allgemeinverstandlichen
akademischen Vortragen, die alle an einem Tag gehalten wurden, und mit
einem offentlichen Abendvortrag fUr ein breites Publikum aus der Stadt, von
dem auch SchUler und Lehrer der Gymnasien etwas haben sollten.
Die Ausarbeitungen dieser 7 Vortrage sind in dem vorliegenden Bandchen
vereinigt. Wir glauben, daB sie - obwohl an einem speziellen Ort aus einem
VI Vorwort
speziellen AnlaB entstanden - ein weit dartiber hinaus reichendes allgemeines
Interesse beanspruchen konnen.
Denn es geht hier darum, das Muster aus wenigen Teilchen und Kraften
darzustellen, welches allen materiellen Korpern und ihren dynamischen Be
ziehungen zugrunde liegt. In frtiheren Jahrzehnten hatte man dieses Grund
muster vermutlich Weltbild genannt. Der moderne Sprachgebrauch ist be
scheidener und redet yom Standardmodell der Elementarteilchenphysik. Das
Standardmodell eignet sich kaum zur philosophischen Ausdeutung, aber es
ist umfassend, und es ist prazise definiert. Seine Folgerungen erklaren bislang
fast (!) aIle Phanomene im subatomaren Bereich.
Doch wie kam es dazu? Was war notig, um diese Erkenntnis, die im Stan
dardmodell kristallisiert ist, zu gewinnen? Da ist zu allererst von den Be
obachtungsinstrumenten zu sprechen, deren immer feinere und zugleich sich
ins Gigantische steigernde Entwicklung all die Daten produzierte, aus denen
die Deutungendes Standardmodells hervorwuchsen. Schon das Kathoden
strahlrohr war ein Beschleuniger, aber die eigentlichen Teilchenbeschleuniger
konnten doch erst gebaut werden, als es gelang, geladenen Teilchen mehr
Energie mitzugeben, als der angelegten Primarspannung entsprach. Das geht
heute mit einem Ringbeschleuniger oder mit einem Linearbeschleuniger. Bei
de Prinzipien haben von einer einzigen Arbeit ihren Ausgang genommen:
Wideroes Aachener Dissertation von 1927/28. Darum steht der Vortrag tiber
die Faszination der Teilchenbeschleuniger, der tatsachlichen Agenda des Kol
loquiumstages folgend, am Anfang dieser Sammlung von Essays, gleich hinter
der Niederschrift des offentlichen Abendvortrages, der uns als ideale Einlei
tung erschien.
Das Standardmodell als theoretischer Entwurf bedurfte mehr als reiner
Instrumentalistik, so bedingungslos notwendig diese auch ist. Das Standard
modell sttitzt sich auf Entdeckungen wie ein Kathedraldach auf Pfeiler und
Gesimse. Die Strebepfeiler des Standardmodells der vereinigten elektroma
gnetischen und schwachen Wechselwirkung und der QeD heiBen "neutrale
Strome",,, W- und Z-Bosonen" und "Gluonen". Bei all diesen Entdeckungen
war Aachen beteiligt. Uber sie wird im Mittelteil berichtet. Immer wieder
geht es dabei um Beweissicherung - Werkstatteinblicke in die Arbeit des Ex
perimentators. So wird zugleich transparent, wie Forschung verfahrt: Hypo
thesen sind zu verifizieren oder sie werden widerlegt. Die Vortrage listen nicht
nur Tatsachen auf, sie beleuchten auch Alternativen, die verworfen worden
sind und sagen warum. Sie sind personlich und doch nicht willktirlich, son
dern der Strenge rationaler Argumentation verpfiichtet. Der Fachmann wird
die Dichte der Informationen schatzen, der Laie mag tiber die Einzelheiten
hinweglesen; er sieht doch im groberen Raster die gleiche Textur.
Der Beitrag tiber Prazisionsmessungen bei LEP macht deutlich, daB Wis
senschaft stets unfertig, unabgeschlossen und zukunftsoffen ist. Die runden
20 Monate, die seit dem Kolloquiumstag vergangen sind, haben hier schon
dazu gefUhrt, den Autor um Zustimmung fUr ein erganzendes Postscriptum
Vorvrort VII
zu bitten. Der Elektron-Positron-Collider LEP hat im Jahre 1996 zvreimal
hohere Energiestufen erreicht. Zum ersten Mal konnte man die schweren W
Bosonen paarweise entstehen sehen - und ein verwunderliches MeBergebnis,
das nicht zur theoretischen Erwartung aus dem Standardmodell zu passen
schien, ist durch Wiederholung und Verbesserung entkraJtet worden.
Der Ausklang dieses Buches hat mit dem zu tun, wie Forschung heute
an immer groBeren, komplexeren Geraten organisiert werden muB, damit Er
gebnisse gefunden werden konnen, damit das offene Erkenntnisfeld auch offen
bleibt, damit die Zukunft fUr die Gegenwart gewonnen werden kann. Dabei
zeichnet sich bei allen Schwierigkeiten, die das mit sich bringt, auch etwas
sehr Schones ab: personliche Freundschaft tiber die Landergrenzen hinweg,
die oft wie von selbst aus gemeinsamer Arbeit in internationaler wissenschaft
licher Kollaboration entsteht. Unser Freund David Saxon aus Glasgow hat
mit Humor und Warme davon berichtet.
Es bleibt der Dank an alle, die das Zustandekommen dieses Vortragsban
des ermoglichen halfen: an die Autoren, die die Mtihe auf sich nahmen, das
gesprochene Wort noch einmal sorgfaltig fUr den Schriftsatz zu formulieren;
an unsere Helfer in Aachen, welche die verschiedenen Versionen teils erzeug
ten, teils gestalteten, umkopierten und vereinheitlichten; schlieBlich danken
wir Herrn Professor Beiglbock und Frau Sabine Lehr fUr ihr Entgegenkom
men bei der Planung des Buches und ftir ihre groBe Geduld bis zum Erhalt
der Manuskripte.
Aachen, s. Bethke
im Juli 1997 D. Rein
Inhaltsverzeichnis
125 Jahre Teilchenphysik an der RWTH Aachen
Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft
Gunter Flugge ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Faszination der Teilchenbeschleuniger -
Von Wideroes Aachener Dissertation
bis zum Linear-Collider der Zukunft
Bjorn H. Wiik ............... . 41
Teilchenphysik: Status und Perspektiven
Peter M. Zerwas . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Die Entdeckung der schwachen Neutralen Strome
und der Schwachen Vektorbosonen
meter Haidt ........................ . 87
Die groBen Entdeckungen bei PETRA
Heinz Georg Sander . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 107
Prazise Tests des Standardmodells bei LEP
Gregor Herten ..... . . . . . . . . . .. 133
Zukiinftige Projekte:
Teilchenphysik in Internationalen Kollaborationen
David H. Saxon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Glossar ..... 170
Sachverzeichnis . 193
Die Autoren dieses Bands
Prof. Gunter Flugge III. Physikalisches Institut B
Promotion 1970 in Hamburg, Physikzentrum RWTH Aachen
Forschungsaufenthalte bei CERN Sommerfeldstr.14
und DESY, 52056 Aachen
1979 Extraordinarius in Karlsruhe, [email protected]
seit 1986 Ordinarius in Aachen
Dr. Dieter Haidt Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
Promotion 1969 in Aachen, Notkestr.85
CERN Staffmember, 22603 Hamburg
seit 1979 Leitender Wissenschaftler [email protected]
bei DESY
Prof. Gregor Herten Fakultat fiir Physik
Promotion 1983 in Aachen, Albert-Ludwigs Universitat
Forschungsaufenthalte bei DESY, Herman-Herder Str. 3
und CERN 79104 Freiburg i. Br.
1986 Assistant Professor und [email protected]
1991 Associate Professor am MIT
seit 1993 Ordinarius in Freiburg
Prof. Heinz-Georg Sander Institut fUr Physik
Promotion 1977 in Aachen, Johannes Gutenberg Universitat
Forschungsaufenthalte bei DESY, Staudingerweg 7
seit 1989 Extraordinarius in Mainz 55099 Mainz
[email protected]
Prof. David H. Saxon Department of Physics and Astronomy
Promotion (Ph.D.) 1970 in Oxford, Kelvin Building
1986 Dr. Sc., University of Glasgow
Forschungsaufenthalte Glasgow G12 8QQ
an der Columbia-University (N.Y.), Schottland, U.K.
am Rutherford-Appleton Lab [email protected]
und bei DESY,
seit 1990 Kelvin Professor of Glasgow,
Fellow of the Royal Society
of Edinburgh 1993
Die Autoren dieses Bands XI
Prof. Bjorn H. Wiik Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
Promotion 1965 in Darmstadt, Notkestr.85
seit 1981 Professor in Hamburg, 22603 Hamburg
seit 1993 Vorsitzender bjoern. [email protected]
des Direktoriums von DESY
Prof. Peter M. Zerwas Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
Promotion 1970 in Aachen, Notkestr.85
Forschungsaufenthalte bei D ESY 22603 Hamburg
und SLAC, [email protected]
1976 Extraordinarrus in Aachen,
seit 1991 Leitender Wissenschaftler
bei DESY