Guten Morgen.
Ich bin seit 1964 in Deutschland, also schon viele Jahre.
Aber trotz meiner Bemühungen beherrsche ich die deutsche Sprache bisher nicht.
Und deshalb werde ich meinen Vortrag heute, statt hier in chinesischer Sprache zu referieren, auf Englisch halten.
Ich versuche auch sehr langsam zu sprechen, damit mein früherer Professor, Professor Rabi, alles mitbekommt.
Bitte das erste Dia.
Die meisten Phänomene im Universum lassen sich anhand eines Entfernungsparameters charakterisieren.
Wenn es um größere Entfernungen als 10^18 bis 10^24 Meter geht, sprechen wir von kosmologischen Phänomenen.
Wenn es um eine Entfernung von 10^-3 bis 10^-6 Meter geht, handelt es sich um biologische Phänomene.
Bei Entfernungen von 10^-9 bis 10^-12 sprechen wir von Atomphysik.
Und bei Entfernungen von unter 10^-15 Zentimetern haben wir Nuklearphänomene.
Nächstes Dia bitte.
Das hier ist ein Bild von der Milchstraße, die die Physik der Entfernungen von 10^20 bis 10^24 Meter repräsentiert.
Nächstes Dia.
Die meisten Phänomene in Riesenentfernungen unterliegen der Schwerkraft,
deren kosmische Hauptfunktion die Bindung von Planeten, Sternen und Galaxien ist.
Sie ist extrem schwach in Atomen vorhanden, aber sehr stark in kollabierten Sternen.
Sie ist unendlich in ihrem Wertebereich und wirkt auf alles.
Wir nehmen an, dass sie von Gravitonen übertragen wird.
Nächstes Dia bitte.
Wenn wir uns dem anderen Extrem, also Entfernungen von 10^-15 Metern oder darunter, zuwenden, geht es um Nuklearphänomene.
Dies ist das Bild einer Blasenkammer mit einem Hochenergieteilchen,
das auf einen Atomkern trifft und hunderte weiterer Partikel erzeugt.
Nächstes Dia bitte.
Im Atomkern wirken grundsätzlich drei verschiedene Arten von Kräften.
Die vorherrschende Kraft ist die starke Kernkraft, auch als starke Wechselwirkung bezeichnet.
Ihre kosmische Hauptfunktion ist die Bindung von Atomkernen, die in Sternen brennen.
Sie ist rund 100 Mal stärker als die elektrische Kraft.
Ihre Reichweite ist kurz, sie liegt bei 10^-13 cm.
Sie wirkt auf Quarks ein, was bisher allerdings nur eine Annahme ist.
Und wir wissen, dass sie durch die Mesonen übertragen wird.
Nächstes Dia.
Neben der starken Kraft gibt es dann noch die weiche Kraft.
Ihre kosmische Hauptfunktion ist die Umwandlung von Basisteilchen, nämlich von Protonen in Neutronen.
Ihre Kraft ist sehr schwach, sie liegt bei einem Einhundertmilliardenstel der elektrischen Kraft.
Ihre Reichweite ist sehr kurz, 10^-15 Zentimeter.
Sie wirkt auf alle Basisteilchen, Quarks und Elektronen ein.
Wir gehen davon aus, dass sie von einem Zwischenvektorboson, W+, W- oder Z0, übertragen wird,
den ich später etwas genauer beschreiben werde.
Nächstes Dia bitte.
Die dritte Kraft ist die am häufigsten auftretende Kraft, die elektrische Kraft.
Ihre kosmische Hauptfunktion ist die Bindung von Atomen und die Erzeugung von Magnetismus.
Sie ist stark in Atomen und schwach in kosmischen Entfernungen, weil Materie neutral ist.
Sie ist unendlich in ihrer Ausdehnung.
Sie wirkt auf alle geladenen Teilchen ein und wird über Lichtstrahlen oder Photonen übertragen.
Nächstes Dia bitte.
Nahezu konstant erleben wir Licht und seine Wechselwirkung in Materie.
Im Alltag, wo die Energie des Lichtes in einer Größenordnung von Elektronenvolt
den elektrischen Strom weiterleitet und Licht erzeugt.
In der Atomwelt, wo Energie in einer Größenordnung von 100 MeV bis 100 eV vorkommt,
ist Licht eine Übertragungskraft zwischen den Elektronen und Nukleonen.
Anwendung finden diese Eigenschaften in Röntgenstrahlen in der Medizin und in der Industrie.
In der nuklearen Welt ist die Lichtwelle bei einer Energie von einer Milliarde Elektronenvolt
wegen ihrer Stabilität und Neutralität ein sehr nützliches Instrument für das Eindringen in den Kern.
Nächstes Dia.
Die Kräfte elektrischer Ladungen können als Funktion der Entfernung ausgedrückt werden.
Bei Entfernungen in der Größenordnung eines Zentimeters haben wir das 1/r² Gesetz, das Coulomb-Gesetz.
Bei Entfernungen von 10^-8 Zentimeter haben wir die Atomphysik.
Wenn wir uns den Entfernungen von 10^-13 Zentimetern oder darunter zuwenden,
haben wir Phänomene wie die Lichtstrahl-Lichtstrahl-Interaktion, bekannt als Quantenelektrodynamik.
Nächstes Dia bitte.
Die Quantenelektrodynamik ist die Untersuchung von Licht und elektrischer Ladung.
Es gibt zwei experimentelle Methoden zur Untersuchung der Quantenelektrodynamik.
Die erste Methode erfolgt in sehr großen Entfernungen, aber mit sehr großer Genauigkeit.
Die Messung von Muon g minus 2 durch 2, die am CERN erfolgt,
hat die Zahl von 001165915 plus minus Zehnmillionenstel und stimmt exakt mit der Theorie überein.
Und dies ist nach meiner Kenntnis die exakteste Messung in der Teilchenphysik.
Und der Vergleich zwischen Experiment und Theorie ist bis auf ein Zehnmillionenstel genau.
Es gibt eine weitere Methode, die Quantenelektrodynamik experimentell zu untersuchen.
Sie besteht darin, tief in die elektrische Ladung vorzudringen, also in geringen Entfernungen.
Aber mit dieser Methode erhält man nur eine rund 5%-Genauigkeit.
Dies erfolgt unter Zuhilfenahme des Unschärferelationsdeltas p * delta x = h.
Wenn man dem Elektron einen Impuls von 1 Milliarde Elektronenvolt erteilt,
erreicht man also eine Entfernung von 10^-14 Zentimetern oder sogar darunter.
Nächstes Dia bitte.
Das erste Experiment dieser Art wurde 1966 am Deutschen Elektronen-Synchrotron in Hamburg durchgeführt
und bestand aus der Verwendung eines 6 Milliarden Elektronenvolt starken Lichtes
zur Erzeugung eines 3 Milliarden Elektronenvolt starken Elektrons, eines 3 Milliarden Elektronenvolt starken Positrons, ein Paar
im Feld des Coulomb-Kerns mit einer Impulsübertragung auf das Elektron von rund 1 Milliarden Elektronenvolt.
Solche Experimente sind mit zweierlei Arten von Schwierigkeiten verbunden.
Das erste besteht darin, dass der Elektron-Positron-Ertrag wegen seines Alpha^2,
wegen seines einen virtuellen Photons, einen realen Photons, sehr gering ist.
Und das bedeutet, dass man unabhängig davon, welcher Detektor benötigt wird,
eine sehr hohe Akzeptanz und eine sehr hohe einfallende Strahlungsleistung von 10 bis 11 Gammastrahlen pro Sekunde benötigt.
Die zweite Schwierigkeit besteht darin, dass immer mehr starke Nuklearteilchen, wie Pis, als Elektronen produziert werden.
Tatsächlich liegt das Verhältnis von Photon-zu-Elektron-Paar gegenüber Pi-Paar bei 1 zu 10^5.
Und das bedeutet, dass 1% Experiment eine Zurückweisung von Pi*Pi mit einem Faktor von 10 Millionen aufweisen.
Nächstes Dia.
Mit welcher experimentellen Methode identifiziert man Elektronen?
Wenn man einen Gammastrahl oder ein Proton mit einer nuklearen Ladung interagieren lässt, entstehen viele, viele Teilchen.
Es sind Pionen, Kaonen, Protonen und Elektronen.
Ein Pion hat eine Masse von 140, K hat eine Masse von 500, ein Proton hat eine Masse von rund 1 Mrd. Elektronenvolt.
Das Elektron hat eine Masse von nur 0,5 MeV.
Aber Elektronen werden im Verhältnis 1 zu 10^5 aller Teilchen mit starken Wechselwirkungen erzeugt.
Die Methoden zur Identifizierung von Elektronen sind gut bekannt.
Bei der ersten werden Ladung und Impuls anhand ihrer Ablenkung in einem Magnetfeld gemessen.
Im Magnetfeld richten sich positive Teilchen in eine Richtung, negative Teilchen in die andere.
Je geringer der Impuls, umso größer die Ablenkung.
Die zweite Methode:
Das Elektron hat die geringste Masse, deshalb erhält man für einen gegebenen Impuls die höchste Geschwindigkeit
und deshalb erhält man bei korrekter Anwendung von Gas als Radiator Tscherenkow-Licht,
während das andere Teilchenverhalten kein Tscherenkow-Licht erzeugt.
Die dritte Methode:
Das Elektron verliert, ebenso wegen seiner geringen Masse,
bei Eintritt in ein Stück dichtes Material wie Glas seine gesamte Energie in Licht,
und diese Lichtmenge ist proportional zur Elektronenenergie.
Wenn man also mit einem Gerät eine bestimmte Lichtmenge erfasst, weiß man, dass diese proportional zur Energie des Elektrons ist.
Nächstes Dia.
Das 1966 durchgeführte Experiment hatte also die folgende Anordnung:
Mit einem auf das Target gerichteten Gammastrahl von 10^11 pro Sekunde wird das Elektron-Positron-Paar erzeugt.
Hinter dem Magnet befindet sich ein Zähler, der die Trajektorie und damit den Impuls misst.
Und dort messen die Tscherenkow-Zähler die Geschwindigkeit.
Aus Geschwindigkeit und Impuls lässt sich die Masse und somit das Elektron identifizieren.
Und dann gibt es hier einen Schauerzähler, der die Gesamtpulshöhe misst, die proportional dem Impuls des Elektrons ist
und deshalb ein weiteres Indiz dafür ist, dass es sich tatsächlich um ein Elektron handelt.
Nächstes Dia.
Das hier ist eine Versuchsanordnung, durch die ein intensiver Elektronenstrahl geführt wird.
Und das hier sind Tscherenkow-Zähler und hier am Ende sind Schauerzähler positioniert.
Nächstes Dia.
Was hier dargestellt ist, ist das Verhältnis der Messung des Elektron-Positron-Ertrags
im Vergleich zu den Vorhersagen der Quantenelektrodynamik, wo das Photon in ein Elektron-Positron-Paar übergeht,
gegenüber einer Masse des Elektron-Positron-Paars,
das der Quadratwurzel von 2, multipliziert mit dem Impulstransfer für symmetrische Paare entspricht.
1 bedeutet vollständige Übereinstimmung mit der Quantenelektrodynamik.
Bei einer Masse von leicht unter 800 MeV sieht man eine Abweichung von den Vorhersagen der Quantenelektrodynamik.
Diese Beobachtungen einer Abweichung von der Quantenelektrodynamik hängen mit der Tatsache zusammen,
dass das Photon bei ausreichend hoher Energie eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit aufweist,
sich im Feld eines Kerns selbst in ein Teilchen umzuwandeln, das ich als Rho bezeichne,
und das Rho zerfällt erneut in ein Photon, zerfällt zu e+ e-.
Wenn dies aufgrund einer starken Wechselwirkung der Fall ist, ändert sich das sehr langsam mit zunehmendem Winkel,
geht bei 1 durch Zeta hoch 3; wenn dies aufgrund eines elektrodynamischen Prozesses der Fall ist,
geht es bei 1 durch Zeta hoch 7 oder hoch 8.
Hat man also einen großen Öffnungswinkel, wird dieser Fall überwiegen.
Wählt man dagegen einen Öffnungswinkel von 15°, nimmt die Abweichung gegenüber der Elektrodynamik tatsächlich zu.
Und es gibt eine weitere bei einer Masse von über 1 GeV, wo man erneut ein anderes Teilchen erhält.
Nächstes Dia.
Lassen Sie mich jetzt zusammenfassen, was ich unter Photonen und schweren Photonen verstehe.
Photonen, die wir Gammastrahlen nennen, haben eine stabile Lebensdauer.
Ihr Spin ist 1, Parität -1, Ladungsspiegelung -1, ihre Masse ist 0.
Dann gibt es die drei Teilchen, die wir das Rho, das Omega, das Phi nennen.
Eines davon hat eine Masse von 760, Ladungsspiegelung -1, Parität -1, Spin 1, genau wie das Photon.
Es hat eine Lebensdauer von 10^-24 Sekunden und zerfällt dann in ein Pionen-Paar.
Und dann ist da das Omega, mit einer Lebensdauer von 10^-24 Sekunden, einer Masse von 785 MeV,
es hat die gleichen Quantenzahlen wie das Photon, es zerfällt in Pi+, Pi-, Pi0.
Und dann gibt es das Phi, mit einer Masse von 1020 MeV, wiederum mit einer Ladungsspiegelung von -1,
einer Parität von -1, einem Spin von 1, zerfällt in 3 Pis oder 2 ks.
Weil dieses Teilchen exakt die gleiche Quantenzahl aufweist wie ein Photon, kann man sich vorstellen,
dass sich ein Photon aufgrund einer hochenergetischen Photonen-Interaktion mit einem Teilchen selbst für eine sehr kurze Zeit
in ein Rho, ein Omega, ein Phi verwandelt und das Rho, Omega und Phi mit dem Photon interagieren.
Lassen Sie mich einige Beispiele nennen.
Wenn man in der klassischen Optik eine Lampe nimmt, die Licht in Elektronenvolt erzeugt,
eine Fokussierlinse mit einer Leinwand benutzt, deren Millimeteröffnung mit der Wellenlänge der Lampe übereinstimmt,
ein schwarzes Tuch mit einer Öffnung von einem Millimeter und hinter der Fokussierlinse eine weitere Leinwand platziert,
wird man selbstverständlich Beugungsmuster erkennen.
Je größer der Radius, umso kleiner, umso intensiver wird das Licht fokussiert.
Je kleiner der Radius, umso diffuser wird das Licht.
Um zu einem hochenergetischen Beispiel zu wechseln,
tauscht man die Lampe gegen einen 6-Milliarden-Elektronenvolt-Beschleuniger aus, der Licht in Milliarden Elektronenvolt erzeugt.
Zur Anpassung der Wellenlängen benötigt man dann ein Streuzentrum mit einer Abmessung von 10^-13 Zentimetern,
also ein nukleares Ziel.
Und dann nimmt man statt einer Leinwand einen 1000-Tonnen-Detektor.
Nächstes Dia.
Das ist das, was ich die moderne Lampe nenne, die Licht in einer Stärke von 6 Milliarden Elektronenvolt erzeugt.
Und das ist der Deutsche Elektronen-Synchrotron des DESY.
Und das ist der Elektronenbeschleuniger, der das Licht beschleunigt,
das Elektron auf 6 Milliarden Elektronenvolt beschleunigt und deshalb Licht dieser Energiestärke erzeugt.
Nächstes Dia.
Dies ist die Reaktion der Gammastrahlung auf das nukleare Target,
wobei Rho-Mesonen erzeugt werden, die dieselben sind wie die Photonen auf das nukleare Target.
Dies wird in dieser Achse als Masse von Pi+, Pi- dargestellt.
Neben der Masse von Rho sieht man, dass die Verbesserung Rho entspricht, dem Zerfall in Pi+, Pi-.
Der Ertrag als Funktion des Winkels nimmt mit dem sich ändernden Beugungsmuster ab,
von Beryllium zu Kohlenstoff zu Aluminium, zu Kupfer bis hin zum Uran.
Man sieht, dass, je größer der Kern, umso fokussierter ist das Licht gebündelt, und je kleiner der Kern,
umso diffuser wird das Licht.
Genau wie bei der klassischen Beugungsstreuung.
Nächstes Dia.
Ich möchte Ihnen ein weiteres Beispiel aus der klassischen Optik und der Produktion schwerer Photonen präsentieren.
Wenn man in der klassischen Optik eine Lichtquelle mit Objektiv hat und ein schwarzes Tuch mit zwei Schlitzen dahinter,
erkennt man natürlich ein Interferenzmuster.
Wenn man vor einem der Schlitze ein sehr dünnes Stück Glas in einer bekannten Stärke positioniert,
wird man eine Verschiebung des Beugungsmusters erhalten.
Und die Größe der Verschiebung ist der festgestellte Brechungsindex für dieses Stück Glas.
Analog dazu kann man sich also im Hochenergiebereich vorstellen, dass die Übertragung von Licht durch einen Schlitz verläuft
und im Feld des Kerns eine Photonenproduktion des Elektron-Positron-Paars erzeugt.
Die zusätzliche Aufnahme des Glases kann man sich dann als die Umwandlung der Photonen in Rho vorstellen,
Rho zerfällt in ein Photon, in e+ e-.
Bei dieser Analyse wird man in D2, nahe der Masse von Rho, eine Verschiebung des Interferenzmusters erhalten.
Was hier dargestellt ist, ist die Messung des Interferenzmusters, wobei sich das Positron nach links verschiebt,
das Elektron nach rechts, minus dem Umgekehrten als Funktion mit der Masse von 610 bis 640 und 640 bis 670
und als Funktion einer Impulsübertragungsdifferenz zwischen den beiden Teilchen.
Wichtig zu wissen ist, dass abseits der Masse von Rho keine Interferenz festzustellen ist.
Wenn man zur Masse von Rho geht, die aufgrund ihrer Bandbreite 760 bis 790 oder 730 bis 760 ausmacht,
erkennt man ein scharfes Interferenzmuster.
In Analogie zum klassischen Fall.
Nächstes Dia.
Ich kann Ihnen ein weiteres Beispiel nennen.
Wenn man ein Stück Glas vor einen der Schlitze positioniert, spricht nichts dagegen,
ein weiteres Stück Glas bekannter Stärke zu ergänzen und auch hier erhält man eine Verschiebung des Intensitätsmusters,
das als Brechungsindex des zweiten Glasstücks gemessen wird.
Im Hochenergiebereich entspricht dann die Übertragung von Licht ohne ein Stück Glas der Paarproduktion im Bethe-Heitler-Sinne.
Die Aufnahme des ersten Stück Glases entspricht dann dem Photon, das in Rho zerfällt,
Rho zerfällt dann in ein Photon zu e+ e-, das ist der erste Fall.
Die zusätzliche Aufnahme des zweiten Stücks Glas würde dann einem Photon entsprechen,
das in ein Omega zerfällt, das Omega dann in ein Photon und dann in e+ e-.
Da das Rho und das Omega eine sehr ähnliche Masse aufweisen und die Bandbreite sehr weit ist,
erwartet man eine Interferenz zwischen diesen beiden.
Genauso erwartet man zwischen diesen beiden eine Interferenz.
Dies hat mich viele Jahre der Beobachtung gekostet, hauptsächlich aufgrund experimenteller Schwierigkeiten.
Die erste besteht darin, dass das Rho-zu-ee-Verhältnis im Vergleich zum Omega-zu-Pi Pi-Verhältnis 1:10^-5 ist.
Deshalb benötigt man eine Pi Pi-Zurückweisung von über 10^8.
Und zweitens ist die Bandbreite von Omega sehr gering, ungefähr 10 MeV.
Das hat zur Folge, dass die Auflösung mit dem Detektor bei 5 Millionen Elektronenvolt liegen muss.
Wenn das Problem gelöst ist, misst man die Masse von e+ e-, und dann sieht man,
dass der experimentelle Punkt mit der Vorhersage von Rho plus Omega-Zerfall in e+ e- mit Interferenz übereinstimmt.
Und das ergibt dann die gestrichelte Linie, ausschließlich das Rho in e+ e-, was nicht mit den Daten übereinstimmt.
Nächstes Dia.
Wir wissen also jetzt, dass Photonen und schwere Photonen fast gleich sind und sich ineinander vor- und zurücktransformieren.
Wir wissen auch, wie sich ein hochintensiver Fluss von 10^11 Gammastrahlen pro Sekunde verwendet lässt.
Und wie man eine Pi Pi-Zurückweisung von größer als 10^8 und eine Massenauflösung von 5 MeV erhält.
Und dann kann man sich fragen: Warum sollte es nur drei schwere Photonen geben, alle mit einer Masse von 1 BeV?
Und dann geht man auf eine höhere Masse, um nach einer höheren Masse zu suchen.
Möglich ist das in einem Hochenergiebeschleuniger, wie man ihn im Brookhaven National Laboratory in Long Island hat.
Nächstes Dia.
Dies ist eine Luftaufnahme vom Brookhaven-Beschleuniger.
Und das ist das Injektionssystem und dies ist der 30-Milliarden-Elektronenvolt-Proton-Synchroton und hier die Versuchsanlage.
Nächstes Dia.
In der ersten Phase wird eine Beschleunigung mit einem elektrostatischen Cockcroft-Walton-Beschleuniger erzeugt.
Er beschleunigt Protonen auf den Kilo-Elektronenvolt-Bereich.
Nächstes Dia.
Das Photon wird durch einen Linearbeschleuniger geführt und auf mehrere hundert Millionen Elektronenvolt beschleunigt.
Nächstes Dia.
Anschließend führt man den Protonenstrahl durch einen Elektronen-Synchroton mit wechselnden Gradienten.
Nach zwei Sekunden ist Lichtgeschwindigkeit und damit eine Energie von 30 Milliarden Elektronenvolt erreicht.
Dann wird die Magnetbestromung leicht geändert und es werden all die Protonen ausgebracht.
Nächstes Dia.
Will man jetzt zu einer höheren Masse gehen, um nach neuen Teilchen zu suchen, ist die erste Frage:
Wie muss der Detektor konfiguriert sein?
Die erste Antwort ist: Keine Ahnung, weil man die Eigenschaft des neuen Detektors nicht kennt.
Was man weiß, ist aber das Folgende: Für normale schwere Photonen wie das Rho ist uns bekannt,
dass, wenn ein Photon auf ein nukleares Target trifft, das Rho in ein Elektron-Positron-Paar zerfällt
und der maximale Ertrag im Labor bei 15 Grad liegt.
Da wir nichts anderes wissen, nehmen wir an, dass das neue Teilchen wie das Rho-Meson erzeugt wird.
Nächstes Dia bitte.
Die Hauptschwierigkeit für ein derartiges Experiment ist das Folgende:
Wenn ein Proton mit einem Target, beispielsweise Beryllium, interagiert,
werden viele Teilchen wie Pis, ks, Protonen, Rho0s, K-Sterne und viele andere erzeugt.
Die Zahl der Elektron-Positron-Paare im Vergleich zu Pi-Paaren ist sogar geringer, 1:10^8,
und das bedeutet, dass man zur Erzeugung ausreichender e+ e- Ereignisse 10^12 Protonen pro Sekunde benötigt.
Und um eine Pi Pi-Zurückweisung von 1% zu erreichen, braucht man eine Zurückweisung von 1:10^10.
1:10^10 ist eine sehr kleine Zahl.
In einer typischen Stadt wie Stuttgart oder München fallen in der regnerischen Jahreszeit rund 10^10 Tropfen pro Sekunde.
Nur einer dieser Tropfen hat eine spezielle Farbe.
Und diesen Tropfen gilt es zu finden.
Und das ist der Grund dafür, warum ein Experiment wie dieses normalerweise relativ schwierig ist.
Nächstes Dia bitte.
Die Detektoren für diese Aufgabe und die nachfolgenden Detektoren sind sehr ähnlich.
Dies ist die Draufsicht und dies ist die Seitenansicht.
Der auf ein Target gerichtete Strahl.
M0, M1, M2 sind im Grunde genommen Ablenkmagnete.
A0, A, B und C sind Positionsmesskammern, aus der Draufsicht misst man den Produktionswinkel.
Die Ablenkung erfolgt in der vertikalen Dimension, sodass A, B, C, A0 den Impuls messen
und C0, C – an den Tscherenkow-Zählern – die Geschwindigkeit messen und damit das Elektron identifizieren.
Am Ende befinden sich wieder Schauer-Zähler.
Sehr ähnlich wie all die Detektoren, die wir vorher verwendet haben.
Jetzt ist die Abmessung etwas größer, dieser ist 70 mal 10 Meter groß.
Nächstes Dia.
Ich gebe Ihnen jetzt einige Beispiele, wie diese Art von Experiment durchgeführt wird,
um Ihnen einen Eindruck zu verschaffen, welche Probleme man in der Hochenergiephysik zu bewältigen hat.
Wenn man 10^12 Protonen auf einem Target hat, geht es zunächst darum, dieses Target in viele kleine Teile zu unterteilen.
Das hat den Vorteil, dass man dann ein echtes Elektron-Positron
aus einer bestimmten Wechselwirkung an einem bestimmten Punkt zurückverfolgen kann.
Wenn man auf diese Art und Weise zufällig ein Elektron an diesem Punkt und ein Positron an einem anderen Punkt erhält,
lassen sich diese rekonstruieren und zurückweisen.
Nächstes Dia.
Dies ist die Abbildung des Targets, ein Target hier, ein anderes dort, ein weiteres da,
und sie sind abwechselnd aus Beryllium und Schwefel.
Industrieschwefel hat den Vorteil, dass es hell aufleuchtet, wenn man einen Protonenstrahl hindurch schickt.
So entsteht eine Art Videoüberwachung und man sieht, ob der Strahl auf das Target gerichtet ist oder nicht.
Nächstes Dia.
Eine der Hauptschwierigkeiten solcher Experimente auf der Suche nach realen Phänomenen ist die Zurückweisung von Hadronen.
Und für dieses Experiment brauchen wir eine Zurückweisung 1:10^10.
Man verwendet dazu Tscherenkow-Zähler mit Gas.
Bei Tscherenkow-Zählern entsteht jedoch das folgende Problem:
Wenn ein Pion in den Tscherenkow-Zähler eintritt, befindet sich dort Gas mit atomaren Elektronen.
Somit besteht die begrenzte Möglichkeit, dass ein Pion mit einem atomaren Elektron interagiert
und das atomare Elektron hinaus befördert.
Und dann ist ein Pi zu einem Elektron geworden und die Fehler nehmen ihren Lauf.
Um dieses Problem zu reduzieren, verwendet man zum einen ein Gas mit der kleinsten Anzahl atomarer Elektronen,
nämlich Wasserstoff.
Zum zweiten erfolgt die Herausbeförderung des Elektrons immer bei einem geringen Impuls.
Deshalb verwendet man zwei Tscherenkow-Zähler mit einem starken Magnetfeld dazwischen
und fängt die Elektronen so am ersten Detektor ab, damit sie den zweiten nicht erreichen.
Solche Anlagen sind schwierig herzustellen.
Sie sind sehr groß und mit einem Gas, mit Wasserstoff, gefüllt,
aber sehr dünn, die Front ist 125 Mikrometer dünn und die Rückseite ebenfalls 125 Mikrometer.
Und man braucht einen 3-mm-starken Fokussierspiegel mit einem Durchmesser von 1 m, der das Licht in ein Fotorohr fokussiert.
Nächstes Dia.
Die Detektoren messen im Wesentlichen die Ionisation in einer als Proportionalkammer bekannten Vorrichtung,
die mit 8.000 Drähten ausgestattet ist, jeder mit eigenem Verstärker und in einem Abstand von rund einem Millimeter platziert.
Wenn ein Teilchen diese Vorrichtung passiert, entsteht durch die Ionisation ein Energieverlust im Gas.
Die Ionisation wird vom Draht aufgenommen und dann verstärkt.
Es gibt also 8.000 Verstärker und jeder verstärkt ein Signal,
weshalb man die Position auf fast einen Millimeter genau messen kann.
Nächstes Dia bitte.
Um Sie vor dieser Art von Experiment zu warnen:
Wenn man 10^12 Protonen pro Sekunde und ein Interaktionsziel von 10% anstrebt, ergibt das 10^11 Interaktionen.
Jede Interaktion erzeugt 10 Teilchen, sodass 10^12 Teilchen erzeugt werden.
Die meisten sind Protonen, Kaonen, Pionen, Gammastrahlen, Elektronen und Neutronen.
Man setzt rund 5 Tonnen Uran ein, 100 Tonnen Blei,
um elektromagnetische Teilchen wie Gammastrahlen, Elektronen und Muonen aufzuhalten.
Was bleibt, sind stark interagierende Teilchen, Protonen, Kaonen und Pionen,
und man setzt rund 10.000 Tonnen Beton ein, um sie zu stoppen.
Was dann bleibt, sind weiche Neutronen, die in alle Richtungen wandern und schwierig aufzuhalten sind.
Und dazu verwendet man natürlich am besten Wasserstoff.
Wasserstoff aber ist wiederum äußerst explosiv.
Als nächstes kann man also Wasser nehmen.
Aber wir haben unseren Detektor bereits unter 10.000 Tonnen Beton begraben,
sodass wir nicht sicher sein können, dass dort noch Wasser ist.
Das Nächstbeste ist dann Salz, weil Salz eine große Menge Wasserstoff enthält.
Und so braucht man rund fünf Tonnen Salz, um alle weichen Neutronen zu stoppen.
Selbst bei diesen Maßnahmen liegt die Strahlung im Targetbereich eine Stunde nach Strahlstopp immer noch bei 5 R pro Stunde.
Und das machte das Experiment natürlich schwierig, weil wir damals nur einen Doktoranden im Projekt beschäftigt hatten.
Nächstes Dia bitte.
Dies ist ein Bild des Detektors und dies sind die Tscherenkow-Zähler.
Und dies hier sind verschiedene Schilder aus Blei und Uran.
Und das sind die Kammern hinter der Messposition.
Nächstes Dia bitte.
Dies ist eine Messung, wie Sie sie wahrscheinlich schon einmal gesehen haben.
Es ist eine Masse des Elektron-Positron-Paars, zwischen 2,5 und 3,5 Milliarden Elektronenvolt,
und die Anzahl der Ereignisse pro 25 MeV.
Grundsätzlich ist da nichts weiter als eine Masse von 3,5 Milliarden Elektronenvolt.
Man sieht einen sehr, sehr scharf ausgeprägten Peak.
Nächstes Dia bitte.
Solche Experimente sind in den vergangenen 25 Jahren von vielen Forschern durchgeführt worden, aber es wurde nichts gefunden.
Wenn man zum ersten Mal einen scharfen Peak erspäht, denkt man wahrscheinlich,
dass mit dem Detektor etwas nicht stimmt, weil der Detektor, wie Sie gesehen haben, sehr kompliziert ist.
Um dies zu überprüfen, verändert man zunächst die Magnetbestromung.
Wenn man diese beispielsweise um 10% verändert, bewegt sich die gesamte Verlaufskurve in eine andere Position.
Und wenn der Peak dann nach wie vor bestehen bleibt, weiß man natürlich, dass es mit den Instrumenten nichts zu tun hat.
Wenn sich der Peak bewegt, weiß man, dass das kein reales Phänomen war.
Und es können viele weitere Kontrollen durchgeführt werden.
Am wichtigsten ist es zu überprüfen, ob ein Streuungsproblem besteht,
eine Partikelstreuung vom Rand des Magneten in den Detektor hinein.
Deshalb führt man das Experiment zweimal durch: Einmal mit einem großen Zähler, einmal mit einem kleineren Zähler.
Dann weiß man, wie groß der Einfluss der Streuung vom Rand des Magneten ist.
Nächstes Dia bitte.
Das ist eine Überprüfung der Partikelmessung durch Reduzierung des Impulses um 10%.
Das Blaue ist der Strom in der normalen Konfiguration und das Rote betrifft den gesamten Magnetstrom, reduziert um 10%.
Dadurch bleibt der Peak an derselben Stelle, ein Beweis dafür, dass das beobachtete Phänomen real ist.
Nächstes Dia.
Seit dieser Arbeit und seit der Arbeit der Gruppe von Richter am SLAC wurden viele weitere Projekte durchgeführt.
Insbesondere die Arbeit im italienischen Frascati hat den Elektron-Positron-Übergang zu Hadronen gemessen,
ein umgekehrter Prozess zu dem, was wir gemacht haben,
und dies mit dem Elektron-Positron-zu-Elektron-Positron-Übergang verglichen.
Man kann die Bandbreite messen, die natürliche Bandbreite dieses Peaks,
und es wurde eine Größenordnung von 70 Kilo-Elektronenvolt gemessen.
Das bedeutet, dass es rund 1.000 Mal länger Bestand hat als die anderen Teilchen.
Was ist die Bedeutung dieses Teilchens?
Das einzige, was wir heute wissen, ist, dass seine Lebensdauer das 1.000- bis 10.000-Fache von normalen Teilchen beträgt.
Nächstes Dia bitte.
Vor diesem neuen Teilchen, also vor 1974, gab es rund 200 oder 300 subatomare Teilchen, die ich als die alten Teilchen bezeichne.
Die meisten dieser Teilchen leben nur sehr kurz.
Normalerweise gilt: Je schwerer die Masse, umso kürzer die Lebensdauer.
Nächstes Dia.
Unser Verständnis vom Atomkern hat sich in den letzten 50 Jahren oftmals gewandelt.
In den 1920er Jahren betrachteten wir das Proton als sehr kleines Objekt im Herzen eines Wasserstoffatoms.
In den 50er Jahren betrachteten wir es als kleines Objekt mit Mesonen in seiner Nachbarschaft.
In den 60er Jahren betrachteten wir das Proton mit der elastischen Streuung als ein relativ großes Objekt im Vergleich zum Elektron.
Und im Zentrum ist es dichter als an den Rändern.
In den 70er Jahren betrachten wir es als großes Objekt,
das viele wesentlich kleinere Objekte enthält, die als Quarks bezeichnet werden.
Eine theoretische Vorstellung vor 1974 war die,
dass es grundsätzlich drei Quarks gibt, zwischen denen ein Gluonenaustausch erfolgt.
Nächstes Dia bitte.
In diesem Bild ist das Proton als Kombination aus drei Quarks, wovon zwei Up-Quarks, ein Down-Quark, zu sehen.
Ein Neutron wiederum sind Quarks mit anderer Ausrichtung.
Nächstes Dia.
Das neue Teilchen, das wir als ein J-Teilchen bezeichnen, die Gruppe um Richter hat es als Psi-Teilchen bezeichnet,
hat nach unseren Erkenntnissen etwas mit Lichtquanten zu tun, weil es durch das Elektron-Positron-Paar dringt.
Es ist schwer und stabil, lebt 100 bis 1.000 Mal länger als die anderen Teilchen
und dürfte deshalb irgendeinen noch verborgenen Zweck erfüllen.
Nächstes Dia bitte.
Am SLAC und am DESY wurden einige dieser wichtigen Gründe entdeckt.
Der in der DESY-Konfiguration vorhandene Linearbeschleuniger
beschleunigt Elektronen und Positronen in einem Elektronen-Synchroton.
Danach werden diese Teilchen in eine Anlage mit kollidierenden Strahlen geführt
(das Elektron in eine Richtung, das Positron in die andere Richtung).
An einem bestimmten Punkt lässt man sie kollidieren.
Dadurch kann man die neuen Teilchen systematisch untersuchen.
Nächstes Dia bitte.
Die Arbeiten am SLAC und DESY sowie in Frascati haben gezeigt,
dass es neben dem J-Teilchen mit einer Masse von 3,1 viele, viele weitere Zustände gibt.
Und diese Zustände gehen durch Emission und Absorption von Gammastrahlen ineinander über.
Sehr ähnlich wie bei dem simpelsten Element des Elektron-Positrons, das als Positronium bekannt ist.
Tatsächlich handelt es sich um den Triplett-Zustand von Positronium.
Und wenn man sie miteinander vergleicht, stellt man fest, dass sie sich sehr ähnlich sind.
Was auch immer dieses Teilchen ist: Wahrscheinlich ist es der gebundene Zustand eines weiteren neuen Quarks und Anti-Quarks.
Nächstes Dia bitte.
Die Entdeckung des J-Teilchens weist auf ein Nukleon neben drei gewöhnlichen Quarks hin.
Ein Quark mehr – man nennt es das Charm-Quark, wobei „Charm“ aus meiner Sicht eine unglückliche Bezeichnung ist.
Stattdessen müsste es eher „hässlich“ oder etwas in der Richtung heißen.
Hat man erst einmal vier Quarks, hält einen nichts mehr davon ab zu behaupten,
dass es ein fünftes, sechstes, siebtes und noch viel mehr gibt.
Tatsächlich kommt die Arbeitsgruppe um Lederman am Fermi-Labor bereits zu dem Schluss,
dass es ein siebtes Quark geben könnte.
Nächstes Dia.
Wir kennen das Photon mit der Masse 0