Inhalt | Einleitung | theoretische Grundlagen | Das Institut DESY | Vergleich mit CERN | Anhang
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 .
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.
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.
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?
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.
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].
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]
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).
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.
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.
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).
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.
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.
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.
[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 
oder c zu umgehen, weisen die Physiker au�erdem den Faktoren c
und 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 multiplizieren. L�ngen erscheinen
dann in der Dimension 1/eV bzw. 1/GeV, eine Umrechnung in Meter erfolgt durch
Multiplikation mit c� .
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 
,
mit h...Plancksche Konstante h=6,626�10E-34 Js, die Einheit 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]:
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.
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
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:
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 
t ein Elektron-Positron-Paar (bzw.
ein anderes Teilchen-Paar oder ein einzelnes Teilchen) die n�tige Energie E 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.
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.
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).
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.
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 e/2m
sowie Abweichungen im Spektrum des Wasserstoffatoms (Lambshift) genau beschrieben [LO92].
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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 
1,2
mm, entspricht 1 eV) bis zu harter R�ntgenstrahlung ( 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]:
E...Energieverlust eines
Teilchens
...Bahnradius der Elektronen
...Geschwindigkeit
...Lorentzfaktor 
)
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 
[LO92]:
...Wellenl�nge der Strahlung
)Dabei ist uc die charakteristische Energie der Synchrotronquanten [LO92]:
...Kr�mmungsradius der BahnDurch die Synchrotronstrahlung w�rden sich die W�nde eines Elektronen-Synchrotrons ohne entsprechende K�hlung auf �ber 1000�C erhitzen.
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].
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 
10E-26
cm� [BE91].
Inhalt | Einleitung | theoretische Grundlagen | Das Institut DESY | Vergleich mit CERN | Anhang
 |
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