Elementarteilchen: Eine Einführung für Naturwissenschaftler

317 Pages·1996·9.122 MB·German

by  Guy Coughlan, James Dodd (auth.), Hening Genz (eds.)

Guy Coughlan
James Dodd
Elementarteilchen
Aus dem Programm_ ________ _
Physik
Robert Gilmore
Alice im Quantenland
Helmut Hilscher
Elementare Teilchenphysik
Helmut Hilscher
Kernphysik
Wilfried Kuhn und Janez Strnad
Quantenfeldtheorie
Photonen und ihre Deutung
Otto Nachtmann
PhCinomene und Konzepte
der Elementarteilchenphysik
Gert Roepstorff
pfadintegrale in der Quantenphysik
Horst Rollnik
Quantentheorie
Band 1 Grundlagen - Wellenmechanik - Axiomatik
Band 2 Quantifizierung physikalischer Systeme -
Pfadintegrale - Relativistische Quantentheorie
Martin Schottenloher
Geometrie und Symmetrie in der Physik
Vievveg ____________________
~
Guy Coughlan
James Dodd
Elemenlarleilchen
Eine Einfuhrung fur Naturwissenschaftler
Aus dem Englischen ubersetzt
von Massimo Malvetti
Herausgegeben von Hening Genz
I I
Vleweg
Titel der eng!. Originalausgabe:
The ideas of particle physics, 2nd edition
© Cambridge University Press 1991
Aile Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1996
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Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Umschlag: Klaus Birk, Wiesbaden
Gedruckt auf saurefreiem Papier
ISBN-13: 978-3-528-06621-5 e-ISBN-13: 978-3-322-83120-0
DOl: 10 .1007/978-3-322-83120-0
v
Vorwort
I
n den letzten zwanzig lahren hat unser Verstandnis des Mikrokosmos enorm zugenom
men. Wir besitzen jetzt ein uberzeugendes Bild der grundlegenden Struktur der Materie,
beschrieben durch wenige Sorten punktformiger Elementarteilchen. Wir kennen auch eine
umfassende Theorie der Krafte, die zwischen diesen Teilchen wirken, von der wir gIauben,
daB sie die gesamte Physik mit Ausnahme der Schwerkraft beschreibt.
Es scheint, als bestiinde die Materie aus zwei Spezies von Teilchen: Quarks und Lepto
nen. Dies sind die Grundbausteine der Materie, uns Menschen inbegriffen. Fiir die Theorie,
die das mikroskopische Verhalten dieser Teilchen beschreibt, hat sich in den letzten Jahr
zehnten der Name Standardmodell eingebiirgert. Das StandardmodeIlliefert eine genaue
Beschreibung der elektromagnetischen Kraft, der Schwachen Kernkraft (die fur den radio
aktiven Zerfall verantwortlich ist) und der Starken Kernkraft (die die Atomkerne zusam
menhalt) und ist dabei erstaunlich erfolgreich; aIle Experimente haben seine detaillierten
Voraussagen bestatigt.
Das Standardmodell beruht auf dem Prinzip der Eichsymmetrie. Dies bedeutet, daB die
Eigenschaften und die Wechselwirkungen der Elementarteilchen durch fundamentale Sym
metrien und den mit ihnen zusammenhangenden Erhaltungssatzen bestimmt werden. Die
Starke, die Schwache und die elektromagnetische Kraft sind allesamt Eichkriifte. Sie wer
den durch den Austauch von sogenannten Eichbosonen iibermittelt: Letztlich sind diese
z.B. fiir die Wechselwirkung zweier elektrisch geladener Tei1chen oder ftir die Kernprozesse
im Innern der Sonne verantwortlich. Versuche, die vierte verbliebene Kraft - die Schwer
kraft - im Rahmen der Eichtheorien zu verstehen, sind bislang fruchtlos geblieben. Ob
wohl wir einige makroskopische Erscheinungsweisen der Schwerkraft bestens verstehen,
ist es bisher nicht gelungen, eine mikroskopische Theorie zu finden.
Das eben skizzierte Bild der Teilchenphysik entstand ab dem Ende der 60er Jahre. Davor
war nur die elektromagnetische Kraft gut verstanden. Dieses Buch ist den dann folgenden
Entdeckungen gewidmet. Dabei gehen wir im Grunde chronologisch vor, aber, wo es geeig
net erscheint, werden Themengebiete lieber in Iogischer Folge in abgeschlossenen Einhei
ten behandelt. So sind die Entwicklungen aus den Kapiteln V bis VIII mehr oder weniger
gleichzeitig entstanden, aber auf eine genaue Historie wurde hier verzichtet. Stattdessen le
gen wir auf die logischen Zusammenhange Wert und deuten die historischen Verbindungen
nur an.
Das Hauptanliegen dieses Buches ist die Vermittlung der wesentlichen Konzepte der
Teilchenpyhsik. Wir haben versucht, dem Leser eine umfassende Ubersicht tiber das Gebiet
zu geben, welche tiber die Vereinfachungen und Verallgemeineiungen der populiirwissen
schaftlichen Literatur hinausfiihrt. Das Buch wendet sich hauptsachlich an fortgeschrittene
Studenten der Physik, der Mathematik, der Ingenieurwissenschaften und verwandter Ge
biete. Aber, und dies wollen wir unterstreichen, es handelt sich hierbei nicht urn ein Lehr
buch. Es wird kein Anpruch auf Genauigkeit und Strenge erhoben, wie ein Lehrbuch sie
erfordert. Es gibt in diesem Buch keinerlei mathematische Herleitungen, und die wenigen
komplizierten Formeln, die es enthiilt, dienen bloB der Illustration. Einfache mathematische
Formeln werden hingegen hiiufig verwendet, urn gewisse Konzepte zu erkliiren. Vorausge-
VI
setzt wird, daB der Leser mit den grundlegenden physikalischen Begriffen (etwa Masse, Im
puIs, Energie, usw.) vertraut ist.
Dieses Buch gliedert sich in neun Kapitel mit je vier bis sechs kurzen Abschnitten. Nur
Kapitel IX ist etwas umfangreicher angelegt. Es behandelt die interessantesten neuen Ent
wicklungen der Forschung und besteht aus sieben Abschnitten, die etwas Hinger als der
Durchschnitt sind und vom Leser mehr Zeit und Aufmerksamkeit einfordem. Wir mochten
den Leser auch auf das Glossar (Abschnitt 47) aufmerksam machen, in dem er knappe De
finitionen der wichtigsten Begriffe der Teilchenphysik findet. Es sollte sowohl als Erinne
rungsstutze als auch aIs eigenstiindige Informationsquelle dienen.
Zu Beginn beschreibt Kapitel 0 die Physik der Jahrhundertwende, aIs man einen er
sten Einblick in den wahrhaft bemerkenswerten Aufbau der gewohnlichen Materie erhielt.
In dieser Zeit wurden die beiden ftir das Verstiindnis der Mikrow~It wichtigsten Theorien
entwickelt: die spezielle Relativitatstheorie und die Quantenmechanik. Dies sind die un
erschutterlichen Grundpfeiler, auf denen der Rest der Teilchenphysik ruht.
Kapitel I stellt die vier fundamentalen Krafte vor; darauf folgt in den Kapiteln IT bis IV
eine detailliertere Beschreibung der Starken und der Schwachen Kemkraft. Insbesondere
der Wunsch, die Schwache Wechselwirkung zu verstehen, fiihrte letztlich zur Anerkennung
der zentralen Rolle der Eichsymmetrien in den physikalischen Theorien der Mikrowelt. Die
Eichtheorie wird in Kapitel V behandelt, in dem das Modell von Glashow-Weinberg-Sa
lam fur die elektromagnetische und die Schwache Wechselwirkung vorgestellt wird. Diese
Theorie, die man auch das elektroschwache Modell nennt, wurde durch eine Reihe von Ex
perimenten in den letzten zwei Jahrzehnten eindrucksvoll bestatigt. Am spektakuliirsten war
im Jahr 1983 die Entdeckung am CERN der schweren W±-und ZO-Eichbosonen, die die
Schwache Kraft ubermitteln.
Zur gleichen Zeit, in der das elektroschwache Modell entwickelt wurde, erforschten die
Physiker das Innere des Protons durch die tiefinelastische Streuung. Diese Experimente, die
in Kapitel VI vorgestellt werden, wiesen erstmals darauf hin, daB das Proton nicht wirklich
elementar ist, sondem aus punktformigen Teilchen (sogenannten Quarks) zusammengestezt
sein sollte. Ais die Quarks als physikaIische Teilchen mehr und mehr akzeptiert wurden, ent
warf man eine neue Eichtheorie, urn die Starke Kraft, die zwischen ihnen wirkt, zu erkliiren.
Diese Theorie heiBt Quantenchromodynamik und filhrt die Starke Kraft auf den Austausch
von Eichbosonen zUrUck, die man Gluonen nennt. Kapitel VIT ist ihr gewidmet. Die Quan
tenchromodynamik und das elektroschwache Modell von Glashow-Weinberg-Salam bilden
zusammen das Standardmodell der Teikhenphysik.
Kapitel vrn schlieBt unsere Betrachtung des Standardmodells mit der Beschreibung von
Elektron-Positron-Experimenten abo Diese wichtige Klasse von Experimenten hat in zwei
J ahrzehnten die physikalische Existenz der Quarks nachgewiesen und viele Voraussagen der
Quantenchromodynamik und der elektroschwachen Theorie bestatigt.
Aber kaum war das Standardmodell ausgearbeitet und hatte erste Untersttitzung durch
das Experiment erhaIten, machten sich die Theoretiker auf neue Wege. Die GroBen verein
heitlichten Theorien sind ein Versuch, die Theorien des Stardardmodells gemeinsam zu be
schreiben. Supervereinheitlichte Theorien versuchen, dariiber hinaus die Schwerkraft ein
zubeziehen. Ais eine solche Theorie aller Kriifte wurde in den letzten Jahren die Theorie
der Superstrings vorgeschlagen. Diese und andere aktuelle Themen der Forschung werden
in Kapitel IX vorgestellt.
VII
Diese zweite Auflage verdankt viel den Gesprlichen, die wir mit Graham Ross, Tim
Hollowood, Jonathan Evans, Tien Kieu und Paul Tod und jenen, die in der ersten Auflage
erwlihnt wurden, geftihrt haben. Ihre Kommentare, Vorschllige und bohrenden Fragen ha
ben wir sehr geschlitzt. Wir danken ebenfalls Robert Taylor filr die gewissenhafte Durch
sicht des gesamten Manuskripts und die vielen Vorschllige zur Verbesserung und Kllirung
des Textes.
Oxford Guy Coughlan
lames Dodd
Geleitwort zur deutschen Ubersetzung
D
ie Kulturtechnik des Umgangs mit Formeln bringt demjenigen, der sie beherrscht,
auBerhalb seines Berufes im allgemeinen keine Vorteile. Will einer wissen, was es
mit dem Kosmos, den Schwarzen Lochern oder den Elementarteilchen auf sich hat, muB er
entweder zu Publikationen greifen, die von Experten filr Experten geschrieben wurden, oder
sich mit Btichern herumschlagen, die Seiten filr die Erklarung eines Sachverhaltes brauchen,
der durch eine einfache Formel einfach ausgedriickt werden kann. Hier klafft eine Lticke
(nicht nur) im deutschsprachigen Schrifttum, und jedes Buch muB dankbar begrtiBt werden,
das den Versuch unternimmt, sie zu schlieBen.
Coughlan und Dodd leisten dies in ihrem Buch, das hier in deutscher Obersetzung von
Massimo Malvetti - selbst promovierter Teilchenphysiker - vorliegt, ftir die Physik der
=
Elementarteilchen. Leser, die das schiere Vorkommen einer anderen Gleichung als E
mc2 abschreckt, sollten nicht zu ihm greifen. Ftir die erfolgreiche Lektiire vorauszusetzen
J
ist die Fahigkeit, Gleichungen wie f p = Gh/ c3 zu verstehen. Das reicht nicht ganz und
filr alles, aber ftir vieles. Am wichtigsten ist, daB der Leser bereit ist, sich auf Symbole ein
zulassen. Verfilgt er tiber die Mathematik der Oberschule - Sinus, Cosinus, differenzieren
und integrieren -, kann er alles im Buch verstehen.
Und das ist nicht wenig! Nattirlich mtissen auch Coughlan und Dodd zu verbalen Um
schreibungen greifen; die Dinge so darzustellen, wie sie tatslichlich sind, ist auch noch auf
dem Niveau des Buches unmoglich. Aber tiberall erleichtert formale Schulung dem Leser
die Lekttire - Beherrschung der Kulturtechnik des Umgangs mit Gleichungen erweist sich
endlich einmal als ntitzlich.
Wem also ist das Buch zu empfehlen? Jedem, der mit einfachen Formeln umgehen kann,
und sich filr die Physik der Elementarteilchen interessiert. Elementare Physikkenntnisse, die
hiermit wohl immer einhergehen, erleichtern die Lekttire. Die Adressaten reichen folglich
von Schiilern der oberen Klassen der Oberschulen bis zu ausgebildeten Physikern anderer
Fachgebiete, die sich einen Uberblick tiber die Physik der Elementarteilchen verschaffen
wollen. Hierzu kann das Buch auch Studenten der Physik dienen, die erwligen, ihre Diplom
arbeit in der Physik der Elementarteilchen anzufertigen. Und Doktoranden aus anderen Ge
bieten der Physik, die tiber Elementarteilchenphysik geprtift werden sollen, kann das Buch
eine wertvolle Hilfe sein.
VIII
Geschrieben haben Coughlan und Dodd ihr Buch insbesondere fUr Adepten anderer
Wissenschaften als der Physik - fur scientists, wie sie auf Englisch heiSen. Sie wie alle,
die die Voraussetzungen Interesse fUr Elementarteilchenphysik und Umgang mit einfachen
Formeln erfullen, werden das Buch mit Gewinn lesen.
Karlsruhe, im Januar 1995 Henning Genz
Der Ubersetzer dankt Dr. A. Diestelhorst aus Karlsruhe fiir logistische Unterstiitzung.
IX
Inhalt
o
Einfiihrung
Materie und Licht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Spezielle Relativitiitstheorie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10
3 Quantenmechanik.......................................................... 21
4 Quantenfeldtheorie......................................................... 34
I Grundlagen der Teilchenphysik
5 Die fundamentalen Kriifte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51
6 Symmetrien in der Mikrowelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61
7 Mesonen.................................................................. 68
8 Seltsame Teilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73
II Physik der Starken Wechselwirkung
9 Resonanzen............................................................... 81
10 SU(3) und Quarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 83
11 Hadrondynamik........................................................... 89
ill Physik der Schwachen Wechselwirkung I
12 Die Verletzung der Paritiit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97
13 Die Fermische Theorie der Schwachen Wechselwirkung ....................... 100
14 Zwei Neutrinos ............................................................ 106
15 Neutrale Kaonen und CP-Verletzung ......................................... 109
IV Physik der Schwachen Wechselwirkung II
16 Die Strom-Strom-Theorie der Schwachen Wechselwirkung ..................... 115
17 Ein Beispiel flir leptonische Prozesse: Elektron-Neutrino-Streuung .............. 117
18 Die Schwache Wechselwirkung von Hadronen ................................ 119
19 Das W-Boson ............................................................. 123
V Die Eichtheorie der Schwachen Wechselwirkung
20 Der Wunsch nach einer besseren Theorie ..................................... 129
21 Eichtheorien ............................................................... 131
22 Spontane Symmetriebrechung ............................................... 135
23 Das Modell von Glashow-Weinberg-Salam ................................... 139
24 Folgerungen aus dem Modell ................................................ 144
25 Die Jagd nach den W±-und ZO-Bosonen ..................................... 149
VI Tiefinelastische Streuung
26 Tiefinelastische Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 159
27 Elektron-Nukleon-Streuung ................................................. 161
28 Das tiefinelastische Mikroskop .............................................. 166
29 Neutrino-Nukleon-Streuung ................................................. 169
30 Die Strukturfunktionen im Quarkmodell ...................................... 173
x
Vll Quantenchromodynamik - die Theorie der Quarks
31 Farbige Quarks ............................................................ 181
32 Eichtheorie der Farbe ....................................................... 188
33 Asymptotische Freiheit ..................................................... 193
34 QuarkeinschluB ............................................................ 200
VllI Elektron-Positron-Streuung
35 Die Erforschung des Vakuums ............................................... 209
36 Quarks und Charm ......................................................... 213
37 Eine weitere Generation .................................................... 222
38 Elektron-Positron-Streuung heute und morgen ................................ 227
IX Aktueller Forschungsstand
39 GroBe vereinheitlichte Theorien ............................................. 241
40 Quantengravitation ......................................................... 249
41 Supersymmetrische Theorien ................................................ 261
42 Teilchenphysik und Kosmologie ............................................. 269
43 Superstrings ............................................................... 282
44 Die neuesten Entwicklungen ................................................ 291
45 Der Anfang yom Ende? ..................................................... 298
Anhiinge
46 Einheiten und Konstanten ................................................... 307
47 Glossar ................................................................... 308
Register
Personenregister ........................................................... 319
Sachwortverzeichnis ....................................................... 320