R. Kainhofer, FBA über DESY DESY

Inhalt | Einleitung | theoretische Grundlagen | Das Institut DESY | Vergleich mit CERN | Anhang 


2 Grundlagen

2.1 Teilchen

2.1.1 Baryonen - Mesonen - Leptonen

Aufbau der Materie Zu Beginn unseres Jahrhunderts waren nur die Bestandteile der Atome, die Protonen (positiv), die Elektronen (negativ) und die neutralen Neutronen, bekannt (s. Abbildung 1). Als jedoch effiziente Nachweismethoden f�r Teilchen gefunden wurden, erh�hte sich die Zahl der "Elementarteilchen" rasant auf bisher etwa 300 Teilchen. Dies f�hrt man darauf zur�ck, da� die meisten Teilchen noch aus kleineren Teilchen zusammengesetzt sind. F�r die Unterscheidung der Teilchen sind neben der Energie und dementsprechend der Masse in Elektronenvolt (1 eV = 1,6�10E-19 Joule) auch die elektrische Ladung, der Eigendrehimpuls (Spin) und einige weitere Werte charakteristisch (s. 2.1.5).
Man unterteilte die Teilchen in der ersten H�lfte unseres Jahrhunderts nach ihren Eigenschaften in Baryonen (barys = griech. schwer), Mesonen (mesos = griech. mittel) und Leptonen (leptos = griech. leicht). Diese Einteilung wird auch heute noch angewendet, allerdings ist die Namensgebung der Teilchenfamilien nicht mehr ganz richtig .

2.1.1.1 Baryonen

Baryonen sind jene Teilchen, die der starken Kraft unterliegen. Die bekanntesten Vertreter sind das Proton (Zeichen: p) und das Neutron (Zeichen: n). Bis heute wurden schon hunderte von Baryonen gefunden, von denen die meisten jedoch nicht l�nger als etwa 10E-20 bis 10E-10 Sekunden bestehen. Solche extrem kurzlebige, angeregte Zust�nde, die w�hrend ihrer Lebensdauer selbst mit Lichtgeschwindigkeit keine weitere Strecke als ihren eigenen Durchmesser zur�cklegen k�nnen, nennt man Resonanzen. Sie entstehen nur in einem sehr eng begrenzten Energiebereich und sind nicht zuletzt deshalb sehr interessant f�r die Teilchenphysik.
Man kann die Vielfalt der Baryonen damit erkl�ren, da� diese sich aus drei Quarks zusammensetzen, die durch die Tr�gerteilchen der starken Kraft, die Gluonen (glue = engl. Leim), aneinander"geklebt" sind.
Eine weitere Besonderheit der Baryonen ist ihr nicht ganzzahliger Spin (1/2, 3/2, 5/2 etc), wobei sich diese Reihe (wahrscheinlich) unendlich fortsetzt.

2.1.1.2 Mesonen

Mesonen sind jene Teilchen, die ebenfalls der starken Wechselwirkung unterliegen, aber einen ganzzahligen Spin aufweisen. Sie bestehen - im Gegensatz zu den Baryonen - aus einem Quark und einem Antiquark. Mesonen sind die Teilchen, welche die starke Wechselwirkung zwischen den Bestandteilen des Atomkernes �bertragen. Die starke Wechselwirkung zwischen den einzelnen Quarks �bertragen jedoch die Gluonen.
Da es auch bei den Mesonen Resonanzen gibt, nimmt man an, da� wie bei den Baryonen unendlich viele Mesonen existieren, die sich vor allem durch ihren Spin, aber auch durch ihre Masse unterscheiden. Das am h�ufigsten vorkommende Meson ist das p-Meson (das positive pi+, das negative pi- und das neutrale pi0).

Baryonen und Mesonen schlie�t man h�ufig zur Gruppe der Hadronen (adros = griech. stark) zusammen, deren Elemente der starken Wechselwirkung unterliegen (s. 2.2.4). Mit Hilfe von sogenannten Eichsymmetrien und der Quarktheorie gelang es Murray Gell-Mann auf hervorragende Weise, die Hadronen in Achtergruppen einzuteilen, die Untergruppen der von den Eichsymmetrien beschriebenen speziellen unit�ren Gruppe SU(3) darstellen. Eine hervorragende Best�tigung dieser SU(3)-Gruppe gelang den Physikern durch die Vorhersage des W--Teilchens, bestehend aus 3 Strange-Quarks.

2.1.1.3 Leptonen

Leptonen, sind jene sechs Teilchen, die nicht der starken Kraft unterliegen. Dazu geh�ren Elektronen (e-), Myonen (my), die in der kosmischen Strahlung h�ufig vorkommen, tau-Teilchen und Neutrinos (e-Neutrino, My-Neutrino und tau-Neutrino). Man nimmt heute an, da� Leptonen wirkliche Elementarteilchen und damit nicht weiter teilbar sind.

Ein R�tsel geben den Teilchenphysikern jedoch die Ladungen auf. Wieso ist die Ladung eines Elektrons, das h�chstwahrscheinlich ein Elementarteilchen darstellt, fast exakt dieselbe wie die eines Protons, das ja aus drei Quarks besteht? Ist dies reiner Zufall oder verbirgt sich dahinter noch eine weitere, bisher nicht entdeckte Struktur der Elementarteilchen?

2.1.2 Quarks

Aufgrund der hohen Anzahl von Baryonen und Mesonen stellten die Physiker Murray Gell-Mann und George Zweig unabh�ngig voneinander die Quarktheorie auf. Demnach setzen sich die Baryonen und Mesonen aus Quarks zusammen, von denen es 6 verschiedene "Flavours" ("Arten") gibt, dazu noch deren Antiquarks. Quarks haben eine Ausdehnung von weniger als 10E-18 m und werden durch die starke Kraft, also durch Gluonen, zusammengehalten. Eine Besonderheit der Quarks ist ihre drittelzahlige Ladung: sie betr�gt �2/3 e bzw. �1/3 e. Der Spin von � erkl�rt, wieso Mesonen ganzzahligen Spin besitzen: Sie bestehen aus zwei Quarks, w�hrend die Baryonen halbzahligen Spin besitzen, da sie aus 3 Quarks bestehen.
Trennung von Quarks Freie Quarks konnten bisher noch nicht beobachtet werden, da sie wahrscheinlich in der Natur (zumindest bei relativ niedrigen Energien) nicht erlaubt sind. Je weiter man n�mlich zwei gebundene Quarks voneinander entfernt, desto mehr Energie mu� man aufbringen. Ist schlie�lich genug Energie aufgebracht, um die Quarks zu trennen, entstehen aus der freiwerdenden Bindungsenergie sofort wieder neue Quarks, die sich mit den bereits vorhandenen zusammenschlie�en (s. Abbildung 2) [KA91, CL89 u.a.].
Quarks besitzen zus�tzlich zu den herk�mmlichen Quantenzahlen noch eine Farbladung: rot, gr�n oder blau (Diese willk�rliche Bezeichnung ist durch die Beitr�ge von M. Gell-Mann popul�r geworden und heute allgemein �blich.). Man darf dies jetzt nicht als wirkliche F�rbung verstehen, sondern vielmehr als eine physikalische Metapher, um die Teilchenzusammensetzung leichter zu verstehen. Schlie�en sich Quarks zusammen, dann kann dies nur geschehen, wenn das neue Teilchen farblich neutral ist. Dies ist lediglich m�glich, wenn sich entweder ein Quark und ein Antiquark zusammenschlie�en, die beide dieselbe Farbe besitzen (das Antiquark hat die Antifarbe, soda� sich die beiden Farben gegenseitig "aufheben".), oder drei Quarks, die alle drei verschiedene Farben besitzen. W�re das neue Teilchen farblich nicht neutral, m��te es der Theorie der Quantenchromodynamik (QCD) entsprechend ziemlich sicher eine unendliche Masse besitzen [LE90].
Elektron-Positron-Paarvernichtung Da Quarks nie einzeln auftreten k�nnen, kann man ihre Existenz nur durch die Entstehung neuer Teilchen erschlie�en. Abbildung 3 zeigt eine Aufnahme einer Elektron-Positron-Vernichtung am TASSO-Detektor bei PETRA. Deutlich zu erkennen sind die beiden Teilchenjets, die von jeweils einem Quark erzeugt wurden.
Bis vor kurzem waren nur 5 Quarks (up, down, strange, charm und bottom) experimentell nachgewiesen, im April 1994 wurde auch noch das top-Quark (mit einer Masse von 174 GeV) von der CDF-Kollaboration am Fermilab nahe Chicago gefunden [CERN].
Nach neuesten Ergebnissen von Proton-Proton-St��en ebenfalls am Fermilab, die nicht mit den Voraussagen des Standardmodells �bereinstimmen, k�nnten Quarks doch eine innere Struktur besitzen. Jedoch gibt es auch andere Erkl�rungen f�r die Abweichungen wie z.B. die Erzeugung bisher unbekannter Teilchen. [SN96]

2.1.3 Eichbosonen

W�hrend in der klassischen Physik die Kr�fte zweier Teilchen aufeinander durch ein Potential oder Feld beschrieben werden, das von einem Teilchen ausgeht und auf das andere wirkt, werden in der Quantentheorie Wechselwirkungen durch den Austausch von Tr�gerteilchen beschrieben [PE90]. Alle vier fundamentalen Kr�fte in unserem Universum (elektromagnetische Kraft , schwache Kraft, starke Kraft und Gravitation), die das Standardmodell (s. 2.2.3) postuliert, werden von Tr�gerteilchen, den sogenannten (Vektor- oder Eich-) Bosonen, �bertragen.
Eine Gemeinsamkeit der Eichbosonen ist ihr Spin von 1 (lediglich die hypothetischen Gravitonen besitzen Spin 2).

2.1.3.1 Photonen

Bereits Newton vermutete, da� das Licht durch kleine Lichtpartikel - von ihm Korpuskel genannt - �bertragen w�rde. Diese Vermutung wurde schlie�lich von Albert Einstein, der den photoelektrischen Effekt mit Hilfe dieser Photonen erkl�rte, auch best�tigt. Die masselosen Photonen sind die Tr�gerteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung. Solche Photonen oder Gamma-Quanten �bertragen elektromagnetische Energie, was durch die Quantenelektrodynamik (QED), die Eichtheorie der elektromagnetischen Wechselwirkung, auf Quantenebene hervorragend beschrieben wird.

2.1.3.2 Gluonen

Quark-Gluon-Wechselwirkung Da bei experimentellen Messungen die Impulse der drei Quarks von Baryonen zusammen nur etwa die H�lfte des Gesamtimpulses der Teilchens ausmachten, schlo� man auf masselose Tr�gerteilchen, welche die starke Wechselwirkung �bertragen und damit den Zusammenhalt der Teilchen garantieren. Man nannte diese Teilchen Gluonen. Die Gluonen wechselwirken (im Gegensatz zu den Photonen) auch untereinander, da sie �hnlich wie die Quarks ebenfalls Farbladungen tragen, nur mit dem Unterschied, da� ein Gluon zwei Farbladungen (eine Farbe und eine Antifarbe) tr�gt. Es ist daher imstande, die Farbe eines Quarks oder auch eines anderen Gluons (s. Abbildung 4) umzuwandeln.
Drei-Jet-Ereignis Als Konsequenz dieser Farbladung wird die starke Kraft zwischen zwei Quarks (im Gegensatz zur elektromagnetischen) umso st�rker, je weiter sie voneinander getrennt werden. Andererseits wirkt zwischen zwei Quarks mit sehr geringem Abstand fast keine starke Kraft, weshalb sie sich wie freie Teilchen verhalten k�nnen ("asymptotische Freiheit") [BE91, LE90, LO92]. Elektromagnetische Kraft wirkt wegen der neutralen Ladung keine zwischen den Gluonen. Eine weitere Konsequenz aus der Farbladung ist die begrenzte Reichweite der Gluonen.
Gluonen k�nnen in sogenannten Drei-Jet-Ereignissen vor allem bei Elektron-Positron-Vernichtungen nachgewiesen werden (Abbildung 5 zeigt ein solches Ereignis bei PETRA am DESY). Neben den beiden Strahlen, die mit der Quark-Antiquark-Erzeugung einhergehen (vgl. Abbildung 3), entsteht ein dritter Jet, weil ein Quark ein Gluon abstrahlt. Dieses erzeugt dann einen Teilchenjet aus Pionen, Kaonen und anderen Teilchen, der etwas breiter ist als ein Quarkjet [LE90].
Die Quantentheorie der schwachen Kraft nennt man aufgrund der Farbladungen (chromos = griech. Farbe) Quantenchromodynamik (QCD).

2.1.3.3 W und Z - Bosonen

Die elektroschwache Theorie (s. 2.2.4) Glashows, Salams und Weinbergs fordert neben den Photonen noch 3 weitere Austauschteilchen (Weakonen genannt): das W+, das W- und das Z0, die alle drei f�r die schwache Wechselwirkung verantwortlich sind. Diese Teilchen l�sen z.B. den Betazerfall des Neutrons und anderer instabiler Teilchen aus. Sie mu�ten allerdings aufgrund der geringen Reichweite der schwachen Kraft eine doch betr�chtliche Masse besitzen. Deshalb wurden die W-Teilchen erst im J�nner 1983, die Z-Teilchen schlie�lich im Mai 1984 am CERN entdeckt.

2.1.3.4 Gravitonen

Die Gravitation als vierte Naturkraft bereitet den Theoretikern enorme Probleme, da bislang noch keine befriedigende Verkn�pfung mit anderen Kr�ften gelang. So bleibt das Graviton, das Eichboson der Gravitation, zun�chst nur eine Hypothese.

2.1.4 Antiteilchen

Im Jahr 1930 sagte der britische Physiker Paul A. M. Dirac als Konsequenz der von ihm aufgestellten und nach ihm benannten Dirac-Gleichung, welche die relativistische Wellengleichung von Teilchen darstellt, f�r jedes Elementarteilchen ein Antiteilchen voraus, welches die gleichen Quantenzahlen (s. 2.1.5) wie "sein" Teilchen, bei den ladungsartigen Quantenzahlen (Ladung, Farbladung etc.) jedoch das entgegengesetzte Vorzeichen besitzen sollte [CL89]. Das Positron, das "Anti-Elektron", wurde schon 1932 von Carl D. Anderson gefunden. Heute ist experimentell verifiziert, da� f�r jedes Teilchen wirklich ein Antiteilchen existiert, das man durch einen waagrechten Strich �ber dem Symbol f�r das Teilchen kennzeichnet. Einige Teilchen wie etwa das Photon sind allerdings ihr eigenes Antiteilchen.

2.1.5 Einheiten in der Teilchenphysik

[aus PE90, LO92, MU88] Die Einheiten der Makrophysik wie Meter, Kilogramm oder Sekunden sind f�r die Hochenergiephysik �u�erst unpraktisch, da sehr kleine Werte auftreten. Deshalb werden L�ngen meist in Femtometer oder Fermi (10E-15 m) und Wirkungsquerschnitte �blicherweise in barn (1b=10E-28 m�) angegeben, die Energieeinheit ist das Elektronenvolt (1eV=1,6022 � 10E-19 J). Massen werden nach der Einsteinschen Formel E=mc� in der Energieeinheit Elektronenvolt (eV/c�=eV, siehe unten) angegeben.
Um das verwirrende Rechnen mit Konstanten wie h quer oder c zu umgehen, weisen die Physiker au�erdem den Faktoren c und h quer meist den Wert 1 zu, was zu dem sonderbaren Ergebnis f�hrt: "4pi=1". Will man die Werte dann in die uns gewohnten Einheiten r�ckrechnen, dann mu� man diese mit Potenzen von c und h quer multiplizieren. L�ngen erscheinen dann in der Dimension 1/eV bzw. 1/GeV, eine Umrechnung in Meter erfolgt durch Multiplikation mit c� h quer.

2.1.6 Quantenzahlen und Pauliprinzip

Jedes Teilchen kann durch Quantenzahlen genauestens bestimmt werden. Diese sind Masse m, Impuls p, Ladung Q (in Einheiten der Elementarladung e=1,60�10E-19 C), Eigendrehimpuls (Spin - in der Einheit h quer, mit h...Plancksche Konstante h=6,626�10E-34 Js, die Einheit h quer wird bei Spinangaben meist weggelassen), Parit�t P (symmetrisch / antisymmetrisch), Isospin I (Eigenzustand des Nukleons N), dritte Komponente des Isospins I3, Baryonenzahl B, Leptonenzahl L, Strangeness S (Anzahl der strange-Quarks), charm-Zahl C* (Anzahl der charm-Quarks) und der bottom-Zahl B* (Anzahl der bottom-Quarks). Bei den Quarks kommt zus�tzlich noch die Farbladung als Quantenzahl hinzu. [nach BE91]
Manche Quantenzahlen k�nnen kontinuierliche Werte (z.B. Impuls), andere nur ganz bestimmte, sogenannte diskrete Werte (z.B. Ladung, Spin, Strangeness) annehmen. Zwischen I3, B, S, C*, B* und der Ladung Q besteht ein verbl�ffender Zusammenhang, der sich in der (generalisierten) Gell-Mann - Nishijama - Formel ausdr�ckt [LO92]:

Q...Ladung
I3...3. Komponente des Isospins
B...Baryonenzahl
S...Strangeness
C*...charm-Zahl
B*...bottom-Zahl

Von besonderer Bedeutung f�r die Teilchenphysik ist das Ausschlie�ungs- oder Pauliprinzip, welches vom �sterreichischen Physiker Wolfgang Pauli (1900 - 1958) aufgestellt wurde. Dieses Prinzip besagt, da� sich zwei oder mehr Teilchen mit halbzahligem Spin niemals in allen Quantenzahlen gleichen d�rfen. Dies betrifft z.B. die Elektronen, weshalb es im Atom verschiedene Schalen geben mu�. F�r Teilchen mit ganzzahligem Spin wie Photonen gilt dieses Prinzip jedoch nicht.

2.2 Theoretische Grundlagen

2.2.1 relativistische Effekte

Nach der speziellen Relativit�tstheorie, die von Albert Einstein im Jahre 1905 aufgestellt wurde, ist Materie nichts anderes als eine ganz bestimmte Form von Energie. Dies dr�ckt sich aus in der ber�hmten Formel

E...Energie
m...Masse
c...Lichtgeschwindigkeit

Daraus folgt, da� man Energie in Materie und Materie in Energie umwandeln kann, was bei Kollisionen in den gro�en Collidern geschieht. Beim Zusammensto� von einem Teilchen mit seinem Antiteilchen zerstrahlt die Gesamtenergie nach dieser Formel, um sich sofort wieder in Form von neuen Teilchen zu zeigen.
Aus dieser Formel folgt aber auch, da� man eine Masse durch ihre �quivalente Energie beschreiben kann, eine in der Teilchenphysik g�ngige Methode: Die Ruhemassen der Teilchen werden n�mlich in Elektronenvolt (eV) angegeben, welches die Energie eines Elektrons beschreibt, das die Spannung von 1V durchlaufen hat (= 1,6�10E-19 J).
Nach der Relativit�tstheorie, die bei den hohen Energien auch f�r die Teilchen in den Beschleunigerringen gilt, kann ein Objekt niemals die Lichtgeschwindigkeit c=2,99792458�10E8 m/s erreichen. F�hrt man einem Teilchen, das sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, noch Energie zu, so nimmt seine Geschwindigkeit v nur geringf�gig, seine Masse daf�r umso st�rker zu:

b...Geschwindigkeit (=v/c)
mv...Masse des bewegten Teilchens
m0...Ruhemasse)

2.2.2 Die Unsch�rferelation und virtuelle TeilchenBR>

In der Quantentheorie gilt die Heisenbergsche Unsch�rferelation, welche besagt, da� man niemals gleichzeitig Energie E und Zeit t mit beliebiger Genauigkeit messen kann. Dies gilt auch f�r das Paar Impuls p und Ort l. Die Unsch�rfe betr�gt [BE91, LO92]:

Daraus folgt aber nun, da� sich praktisch aus dem "Nichts" f�r die Zeit DELTA t ein Elektron-Positron-Paar (bzw. ein anderes Teilchen-Paar oder ein einzelnes Teilchen) die n�tige Energie DELTAE f�r seine Entstehung "ausborgen" kann, und so f�r diese kurze Zeit existiert. Allerdings kann man - entsprechend der Unsch�rferelation - solche Teilchen nicht orten, weshalb sie "virtuelle Teilchen" genannt werden [BE91]. Die vier Grundkr�fte werden nach diesem Prinzip �bermittelt: Jedes Objekt sendet andauernd solche virtuellen Teilchen aus, von denen allerdings die meisten nicht lange genug existieren k�nnen, um ein anderes Objekt zu erreichen und so zu einer Wechselwirkung zu f�hren. Je mehr Masse solch ein Tr�gerteilchen besitzt, umso k�rzer ist die Zeit, die es existieren kann, und umso k�rzer auch jene Wegstrecke, die es zur�cklegen kann. Die schwache Kraft besitzt wegen der vergleichsweise gro�en Masse der W- und Z-Bosonen nur eine sehr begrenzte Reichweite, w�hrend der elektromagnetischen Kraft (Photonen sind masselos, also wird nur sehr wenig, bzw. gar keine Energie ben�tigt) eine praktisch unbegrenzte Reichweite gegeben ist.

2.2.3 Das Standardmodell der Teilchenphysik

Das Standardmodell der Teilchenphysik gilt als der bisher gelungenste und auch fundierteste Versuch, alle elementaren Naturgesetze zu einer einzigen Theorie zusammenzufassen. Es wird seit etwa 30 Jahren entwickelt und immer weiter verbessert und vervollst�ndigt. Allerdings konnte bisher die Gravitation als vierte fundamentale Kraft noch nicht eingebunden werden.

Das Standardmodell beruht auf drei zentralen Aussagen [GE94]:
-)Alle Teilchen lassen sich auf zwei Gruppen von insgesamt 12 Teilchen und deren Antiteilchen zur�ckf�hren: Auf sechs Quarks (s. 2.1.2) und sechs Leptonen (s. 2.1.1).
-)Die Wechselwirkungen (s. 2.2.4) zwischen den Teilchen - auch Kr�fte genannt - werden als mathematische Gesetze formuliert. Bisher gelang dies nur mit drei der vier fundamentalen Naturkr�fte: mit der elektromagnetischen, der starken und der schwachen Kraft.
-)Die �bertragung dieser Kr�fte erfolgt durch Austauschteilchen (s. 2.1.3), Eichbosonen oder Vektorbosonen genannt.

Das Standardmodell enth�lt allerdings zur Zeit noch etwa 20 Parameter, die nicht vorhergesagt, sondern nur experimentell bestimmt werden k�nnen. Dazu geh�ren etwa die Wahrscheinlichkeiten, da� ein Quark einer h�heren Teilchengeneration in eine tiefere �bergeht (diese und noch einige andere Werte k�nnen mit DORIS und HERA bestimmt werden).

2.2.4 Wechselwirkungen - Die vier Grundkr�fte

2.2.4.1 Feynman-Diagramme

Feynman-Diagramm einer e-e+-Vernichtung In der Teilchenphysik hat es sich eingeb�rgert, Wechselwirkungen durch sogenannte Feynman-Diagramme zu beschreiben. In diesen Diagrammen werden elektrisch geladene Teilchen als gerade Linien, neutrale Teilchen als strichlierte Linien, Photonen, W- und Z-Bosonen als Wellenlinien und Gluonen als Spirallinien dargestellt. Die y-Achse stellt eine Ortskoordinate, die y-Achse die Zeit dar.
Feynman-Diagramme sind graphische Darstellungen komplizierter Integrale, die das Verhalten der Teilchen bei der Wechselwirkung beschreiben, und vereinfachen so die komplizierten Berechnungen [CL89].
Abbildung 6 zeigt etwa eine Elektron-Positron-Vernichtung (Abbildung 3 zeigt eine Detektoraufnahme davon), bei der ein Quark-Antiquark-Paar entsteht, wobei jedes Quark einen Jet erzeugt.

2.2.4.2 Die elektromagnetische Kraft

Die elektromagnetische Wechselwirkung ist jene Kraft, welche u.a. die Elektronen auf ihrer "Umlaufbahn" um die Atomkerne h�lt, da sich unterschiedliche Ladungen anziehen. Der Energieaustausch - bei einer elektromagnetischen Wechselwirkung wird elektrische Ladung �bertragen - geschieht durch Photonen. James Clerk Maxwell (1831 - 1879) gelang es um 1850, die bis dahin verschiedenen Kr�fte Elektrizit�t und Magnetismus zu einer einzigen Kraft zu vereinen. Mit der Quantenmechanik verkn�pft stellten die Theoretiker die Theorie der Quantenelektrodynamik (QED) auf, eine der erfolgreichsten jemals aufgestellten Theorien. So werden etwa die winzige Abweichung des magnetischen Momentes des Elektrons vom Wert eh quer/2m sowie Abweichungen im Spektrum des Wasserstoffatoms (Lambshift) genau beschrieben [LO92].

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung
Streuprozesse mit Energieverlust der Teilchen finden haupts�chlich an den Atomkernen eines Absorbermaterials statt. Das elektrische Feld des Kernes (Ze in Abbildung 7) lenkt und bremst das Teilchen ab, der Energieverlust wird umgesetzt in ein Photon [PE90].
Der gesamte Strahlungsverlust dE/dx eines Elektrons mit der Energie E beim Durchqueren eines Materials der Schichtdicke dx betr�gt [PE90]:

Dabei ist die sogenannte Strahlungsl�nge X0 die Schichtdicke des Materials, welche die mittlere Energie des Elektronenstrahles um den Faktor e reduziert. Als L�sung obiger separierbarer Differentialgleichung erster Ordnung ergibt sich, da� die mittlere Energie E eines Elektronenstrahls beim Durchqueren einer Schicht der Dicke x folgenden Wert annimmt [PE90]:

Da der mittlere Energieverlust durch Bremsstrahlung mit der Energie zunimmt, w�hrend der Ionisationsverlust in etwa konstant bleibt, dominiert bei hohen Energien die Bremsstrahlung. Sie wird daher in Detektoren in den Kalorimetern (s. Detektoren) benutzt, um die Teilchenenergie zu messen und zu absorbieren.

Paarerzeugung

Wenn die Energie eines Photons die Schwelle von 1,02 MeV (=2fache Masse eines Elektrons) �bersteigt, kann es (wegen Energie-Impuls-Erhaltungsgr�nden nur in der N�he eines weiteren Sto�partners) ein Elektron-Positron-Paar erzeugen [BE91]. H�here Photonenergien spiegeln sich durch kinetische Energien des Paares wider. Die Paarerzeugung wird h�ufig als Me�methode f�r hochenergetische Photonen benutzt.

2.2.4.3 Die starke Kraft

Die Naturkr�fte
Aufgrund der elektromagnetischen Kraft m��ten sich die positiven Protonen im Atomkern gegenseitig absto�en. Deshalb w�re das Atom nicht stabil, g�be es nicht die starke Kraft, welche die Quarks zu Baryonen und Mesonen verbindet und auf kleinen L�ngen weitaus st�rker wirkt als die elektromagnetische. Als Tr�gerteilchen fungieren Gluonen (s. 2.1.3), welche Farbladungen �bertragen und so die Quarks fest zusammenschlie�en. Wegen dieser Farbladungen k�nnen die Gluonen auch untereinander wechselwirken, was allerdings die Reichweite der starken Kraft auf etwa 10E-15 m begrenzt.
Da bei der starken Kraft Farbladungen �bertragen werden, wurde f�r die Quantentheorie der starken Wechselwirkung die Bezeichnung Quantenchromodynamik (QCD) gew�hlt (chromos = griech. Farbe).

Mit Hilfe sogenannter "Great Unified Theories" (Gro�e einheitliche Theorien, kurz GUTs) hoffen die Physiker, die elektromagnetische, die starke und die schwache Kraft als eine einzige Kraft zu beschreiben, die sich nur bei Energien unterhalb von 10E14 GeV unterscheiden l��t (Abbildung 8).

2.2.4.4 Die schwache Kraft

Der Umstand, da� Teilchenzerf�lle stattfinden, die weder mit der elektromagnetischen noch mit der starken Kraft zu erkl�ren sind, f�hrte zu der Annahme einer weiteren Naturkraft, der sogenannten schwachen Kraft, die wiederum von speziellen Botenteilchen �bermittelt wird. Diese Botenteilchen (W+, das W- und das Z0) blieben aber f�r lange Zeit reine Theorie. Erst zu Beginn der siebziger Jahre erbrachten Untersuchungen von Teilchenzerf�llen und Neutronenstrahlen experimentelle Anhaltspunkte f�r ihre reale Existenz, 1983/84 wurden sie schlie�lich bei CERN nachgewiesen.
Die schwache Kraft ist f�r Teilchenumwandlungen wie z.B. den Betazerfall des Neutrons verantwortlich, indem sie ein Quark in ein anderes umzuwandeln kann, wodurch ein vollkommen neues Teilchen entsteht.

Die Verbindung von elektromagnetischer und schwacher Kraft zur elektroschwachen Kraft (s. Abbildung 8) gelang Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam und Steven Weinberg, wof�r sie 1979 den Nobelpreis f�r Physik erhielten.

2.2.4.5 Die Gravitation

Die vierte Kraft, die Gravitation, unterscheidet sich ihrer momentanen Beschreibung nach grunds�tzlich von den anderen drei. Sie ist die bei weitem schw�chste Naturkraft (die starke Kraft ist etwa 10E+38 mal so stark), doch heben sich die Gravitationswirkungen mehrerer Teilchen nicht gegenseitig auf, sondern addieren sich. W�hrend die Gravitation auf atomarer Ebene fast keine Rolle spielt, wird sie in kosmischen Gr��enordnungen zur bestimmenden Kraft, die Sterne und Planeten zusammenh�lt und letztendlich das Universum erst in dieser Form bestehen l��t. [LE90]
Obwohl bereits Newton die Gravitation f�r den Alltag befriedigend beschreiben konnte, bereitet sie den Theoretikern das gr��te Kopfzerbrechen, da sie sich nicht so einfach mit den anderen drei Kr�ften verbinden l��t. Nach den Einsteinschen Feldgleichungen bewirkt die Gravitationskraft einer Masse eine Kr�mmung des Raum-Zeit-Kontinuums. Dies jedoch mit der Quantenmechanik zu verkn�pfen und eine Quantengravitation aufzustellen, ist bisher nicht gelungen.

2.2.5 Erhaltungss�tze

In der Elementarteilchenphysik gelten gewisse Symmetrien und Invarianzen, aus denen diverse Erhaltungss�tze folgern. So folgt zum Beispiel aus der Invarianz gegen�ber r�umlicher Translation die Erhaltung des Impulses, aus der zeitlichen Invarianz die Energieerhaltung oder aus der Invarianz gegen�ber Rotation die Erhaltung des Drehimpulses. Je schw�cher eine Wechselwirkung ist, desto mehr Erhaltungss�tze kann sie verletzen, es gibt allerdings Erhaltungss�tze, die f�r alle Wechselwirkungen uneingeschr�nkt g�ltig sind und deren Verletzung bis jetzt noch bei keiner Reaktion beobachtet wurde.

2.2.6 Synchrotronstrahlung

Spektrum der Synchrotronstrahlung
Da eine Bewegung auf einer Kreisbahn eine beschleunigte Bewegung darstellt (Beschleunigung zum Mittelpunkt), und eine beschleunigte Ladung Strahlung emittiert, gibt ein geladenes Teilchen in einem Beschleunigerring st�ndig elektromagnetische Strahlung ab, Synchrotronstrahlung genannt. Diese Strahlung, im Grunde nur ein Abfallprodukt der Teilchenbeschleuniger, welche die verlorene Energie wieder nachliefern m�ssen, ist jedoch f�r viele Anwendungsgebiete �u�erst interessant. Die Synchrotronstrahlung deckt n�mlich mit hoher Intensit�t den gr��ten Teil (~30 Oktaven) des elektromagnetischen Spektrums von Infrarotstrahlung (Wellenl�nge Lambda etwa 1,2 mm, entspricht 1 eV) bis zu harter R�ntgenstrahlung (Lambda etwa 6 pm, entspricht 200.000 eV) ab (s. Abbildung 9). Sie wird eingesetzt in der Festk�rper-, Atom- und Molekularphysik, bei Ober- und Grenzfl�chenuntersuchungen, in der Kristallographie, Geophysik, Chemie, Biologie, Medizin und in vielen anderen Wissenschaftszweigen. Durch sogenannte Monochromatoren wird bei einem Experiment die jeweils gew�nschte Wellenl�nge aus dem breiten Spektrum ausgefiltert [HA88].
Der laser�hnliche Strahl besitzt eine sehr geringe Divergenz von 0,1 - 1 mm pro m, ist koh�rent, in hohem Ma�e polarisiert (fast 100%) und pulsierend wegen des oftmaligen Durchlaufens des Beschleunigerringes. Die Intensit�t ist stabil und um ein Vielfaches h�her als sie mit UV-Lampen oder R�ntgenr�hren erreicht werden kann (Abbildung 10).
Der Energieverlust eines Elektrons pro Umlauf betr�gt [PE90]:

DELTAE...Energieverlust eines Teilchens
RHO...Bahnradius der Elektronen
Beta...Geschwindigkeit
Gamma...Lorentzfaktor  )

Intensit�tsvergleich
Der Energieverlust von Protonen (Masse M) steht zu dem der Elektronen (Masse m) im Verh�ltnis (m/M)^4, d.h. er ist f�r Protonen 10E+13 mal kleiner als f�r Elektronen, also au�er beim Verlassen eines Magneten (Edge-Effekt) vernachl�ssigbar.
Die Strahlung wird bei der Ablenkung immer in Richtung der Tangente abgegeben in einem Kegel mit dem halben �ffnungswinkel Theta [LO92]:

Lambda...Wellenl�nge der Strahlung
)

Dabei ist uc die charakteristische Energie der Synchrotronquanten [LO92]:

c...Lichtgeschwindigkeit
Rho...Kr�mmungsradius der Bahn

Durch die Synchrotronstrahlung w�rden sich die W�nde eines Elektronen-Synchrotrons ohne entsprechende K�hlung auf �ber 1000�C erhitzen.

2.2.6.1 Wiggler / Undulatoren

Funktionsprinzip von Wigglern und Undulatoren
Die Intensit�t der Synchrotronstrahlung kann durch den Einsatz von Wigglern und Undulatoren noch erheblich gesteigert werden. Diese Ger�te bestehen aus einer Reihe von abwechselnd gepolten Magneten, wodurch Oszillationen ("Schlangenlinien") in der Teilchenbahn hervorgerufen werden (Abbildung 11). Bei einem Wiggler verh�lt sich die Intensit�t proportional zur Anzahl N der Magnete, es wird eine gro�e Auff�cherung des Strahles hervorgerufen, und der Strahl wird inkoh�rent. Ein Undulator hingegen ruft nur kleine Oszillationen hervor, wobei der Strahl koh�rent bleibt. Allerdings wird f�r einzelne Wellenl�ngen durch Interferenzerscheinungen eine Intensit�t hervorgerufen, die proportional zu N� ist [HA88].

2.2.7 Wirkungsquerschnitt

Der Wirkungsquerschnitt gibt die Wahrscheinlichkeit einer bestimmten Reaktion im submikroskopischen Bereich an. Im Gegensatz zur statistischen Wahrscheinlichkeit hat der Wirkungsquerschnitt die Dimension m� bzw. cm�. Dies r�hrt von folgender Vorstellung her: Wenn zwei Teilchen (in die Ebene projiziert ergeben sich zwei Fl�chen) kollidieren, �berlagern sich die zwei "Fl�chen", wodurch eine �berlagerungsfl�che entsteht, die die Wahrscheinlichkeit f�r die Reaktion beim Sto� darstellt. Der Wirkungsquerschnitt wird durch das Zeichen s dargestellt. F�r atomare Prozesse sind Werte von 10E-16 cm� charakteristisch (der Atomradius betr�gt r=10E-8 cm), bei nuklearen Prozessen gilt entsprechend Sigma etwa 10E-26 cm� [BE91].


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DESY aus: 
Mit HERA und ZEUS durch die G�tterwelt der Teilchenphysik 
Moderne Beschleuniger- und Detektortechnik am Beispiel 
des Deutschen Elektronen-Synchrotrons

Fachbereichsarbeit aus Physik, vorgelegt von: Reinhold Kainhofer, Februar 1996