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Über dieses Buch

„Bei vielen seiner witzigen Ideen, Physik humorvoll zu erklären, war ich echt sauer. Ich dachte mir: Warum zum Teufel bin ich da nicht drauf gekommen ...“

Vince Ebert, Diplomphysiker und Komiker

Geben Sie's zu, wir alle fragen gerne mal: „Was ist da drin?“ – und einige, die hören mit dem Fragen einfach nicht mehr auf. Sie haken nach, bis es als Antwort nur noch gibt: „Das war’s, kleiner geht’s nicht mehr.“

Da wo's klein wird, wird die Welt plötzlich ganz verrückt: Aus purer Energie werden Teilchen erzeugt. Materieteilchen bekommen Geschwister aus Antimaterie. Teilchen, die es eigentlich gar nicht geben dürfte, entstehen plötzlich aus dem Nichts. Die Natur leiht sich Energie, die eigentlich gar nicht da ist. Kräfte verhalten sich völlig anders als alles, was wir aus dem Alltag kennen. Das ist die Welt der Teilchenphysik.

Teilchenphysiker bauen die größten Experimente aller Zeiten, um die kleinsten Teilchen des Universums zu untersuchen. Sie gehen an die Grenzen des technisch Machbaren und arbeiten dabei über Landesgrenzen hinweg zusammen.

Wer das alles auch so spannend findet wie die Teilchenphysiker selbst, ist herzlich eingeladen, dieses Buch zu lesen. Wer glaubt, dass man davon ohne ein Studium in der Teilchenphysik nichts versteht, der auch. Quantenfeldtheorien, Teilchenbeschleuniger, Higgs-Mechanismus und Co. werden hier nämlich statt durch fiese Formeln mit Hilfe von Affen, Enten, Igeln, Bibern und anschaulichen Bildern erklärt. Okay, die fiesen Formeln gibt's auch ab und zu –aber in Kästen, für die, die's wissen wollen. Und mit Hilfe von verlinkten Videos kann man dann auch noch direkt eintauchen in die Welt des CERN, des Teilchenbeschleunigers LHC und des ATLAS Experiments. Viel Spaß dabei!

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Kindlicher Spieltrieb: Motivation und Leben der Teilchenphysiker

In meinem Alter falle ich ja nicht mehr auf Tricks rein. Vor allem nicht als Physiker. Jeder von uns kennt es: das Süßigkeitenregal im Supermarkt direkt vor der Kasse. Als kleine Belohnung für den anstrengenden Einkauf soll ich mir etwas gönnen. So hätte der Supermarkt das vielleicht gerne. Aber nein, nicht mit mir. Brauche ich nämlich gar nicht. Dann aber fällt mein Blick auf etwas, was mich ergreift. Gerade als Physiker. Es weckt meine innersten Instinkte. Ich muss es einfach kaufen.
Boris Lemmer

2. Zutaten: die Welt, zerlegt in Einzelteile

Wieso wollen wir eigentlich so gerne wissen, was in den Dingen drin ist? Sehen wir einen leckeren Kuchen, so wie ihn zum Beispiel Julia letztens für mich zum Geburtstag gebacken hat, wollen wir natürlich auch gleich wissen, was drin ist. Wir wollen wissen, was ihn so besonders lecker macht. Wir wollen eine Liste von Zutaten. Am liebsten hätten wir auch gleich die Zutaten für alle anderen Kuchen, die es so gibt. Zutaten zu kennen ist natürlich die eine Sache. Aber das bringt einem noch nicht viel ohne das entsprechende Rezept. Man kennt ja auch die große Geheimniskrämerei um die Coca-Cola-Rezeptur. Was drin ist, weiß mittlerweile fast jeder (zum Beispiel nach geschicktem Durchlesen der Inhaltsstoffe. Stehen auf der Flasche drauf.). Aber erst die genaue Rezeptur macht den Geschmack. Erst wenn wir Zutaten und Rezepte kennen, können wir all die Kuchen nachbacken und die Cola nachmischen.
Was sind sie, die Zutaten und Rezepte unserer Welt? Und wie findet man das heraus? Darum geht es im folgenden Kapitel.
Boris Lemmer

3. Bauplan für ein Universum – oder was Physiker am LHC untersuchen

Ich hielt mich für unglaublich schlau, mir den Wecker bereits auf 5 Uhr morgens zu stellen. Das Seminar sollte zwar erst um 9 Uhr beginnen, aber an diesem Tag wollte ich auf Nummer sicher gehen. Es war der 4. Juli 2012 und am CERN ein Seminar über„Updates zur Suche nach dem Higgs-Boson“ angekündigt. Gut, das kann alles heißen. Oder auch einfach nichts. Update im Sinne von: „O. k., hm, ja, wir haben immer noch nichts.“ Es könnte aber auch ein Stück Geschichte geschrieben werden an diesem Tag und diesem Ort.
Die Ergebnisse, die an diesem Tag gezeigt wurden, waren natürlich streng geheim. Die beiden Großexperimente ATLAS und CMS suchten beide nach einem Teilchen, das vor ungefähr 50 Jahren vorhergesagt worden war und für dessen Suche die beiden Kollaborationen nunseit über 15 Jahren gigantische Detektoren planten und bauten. Sie suchten nach der Antwort auf die Frage des Ursprungs der Masse all unserer Elementarteilchen (mehr dazu in Abschn. 3.6.2), ein bis dahin ungelöstes Rätsel. Und weil ich als Mitglied von ATLAS ja wusste, was wir in der Tasche hatten, versprach das Ganze sehr spannend zu werden. Und dass ich am Abend davor am CERN Peter Higgs, den Namensgeber dieses vorhergesagten Teilchens, rumlaufen sah, heizte die Gerüchteküche noch mehr auf.
Boris Lemmer

4. Auf dem Protonen-Highway: mehr über Teilchenbeschleuniger

Ein Besuch bei der Familie heißt für mich: Traditionen pflegen. Eine wichtige Tradition dabei ist der Besuch unseres Lieblings-Fast-Food-Restaurants in Gießen. Die Stadt verfügt über einen wunderbaren Autobahnring, was die Anreise mit dem Pkw sehr bequem macht. Kaum auf die A485 aufgefahren, fühle ich mich gleich wieder wie am CERN. Während wir hier mit 120 km/h über den 22 km langen Ring flitzen, rasen am CERN Protonen mit über 1.079.252.800 km/h durch den 27 km langen Teilchenbeschleuniger LHC.
Wir und die Protonen haben so einiges gemeinsam. Beide sind wir sehr erfreut darüber, freie Fahrt auf der Strecke zu haben. Und plötzlich auftretende Hindernisse können fatale Folgen haben, sowohl für das Proton als auch für unser Auto. Eine andere wichtige Erkenntnis für Auto und Proton: Enge Kurven sollte man lieber nicht zu schnell fahren, sonst fliegt man raus. Und auch die Nothaltebuchten erkenne ich wieder. Während man das Auto dort lieber in Ruhe ausrollen lässt, krachen die Protonen im Notfall brachial in einen acht Meter langen Grafitblock, umringt von 1000 t Beton. Während die Motivation für den Besuch des Lieblings-Fast-Food-Restaurants recht naheliegend ist, kann man sich schon fragen: Wieso bauen Physiker Teilchenbeschleuniger? Was machen sie damit überhaupt? Und wie funktioniert so ein Ding? Die Antworten gibt es auf den folgenden Seiten.
Boris Lemmer

5. Augen fürs Unsichtbare: mehr über Teilchendetektoren

Teilchenphysiker sind Spielkinder. Das haben wir ja vorne im Buch beim Vergleich von Ü-Ei und Proton gesehen. Bei beiden wollen die Physiker sofort wissen, was drin ist, und schauen hinein. Während ein spielendes Kind jedoch recht einfach zu erkennen ist, sieht ein spielender Physiker einfach nur aus wie jemand, der am PC sitzt. Zumindest wenn er seine Daten analysiert. Bevor es so weit ist, muss er die Daten von seinen Experimenten aber erst mal bekommen. Dazu braucht er Maschinen, die das beobachten, was sonst niemand sieht. Und eben dafür sorgen die Detektoren, um die es in diesem Kapitel geht.
Meine Kollegen und ich sind vor Freude fast ausgeflippt, als eines Tages eine Mail mit folgender Ankündigung in unser Postfach flatterte: „Liebe ATLAS-Kollegen, hiermit möchten wir euch mitteilen, dass es unseren großartigen ATLAS-Detektor jetzt auch als LEGO-Modell gibt!“ Wahnsinn! Unser großes Spielzeug jetzt auch in klein, fürs Wohnzimmerregal zu Hause und in etwas größer für den Platz vor dem Regal. Jeder Physiker hätte sein Experiment sicher gerne zum Anschauen noch mal zu Hause stehen. Aber das Besondere hieran ist: Man kann ihn auch noch mal selbst zusammenbauen.
Boris Lemmer

6. Lernen, wie die Welt funktioniert: mehr über Datenanalyse

Wir Teilchenphysiker erzählen ja immer, dass alles, was wir zum Arbeiten brauchen, ein Laptop und ein Internetzugang ist. Das stimmt leider nicht ganz. Ebenso wichtig sind eine Kaffeemaschine und eine Mikrowelle in Reichweite sowie eine Notration Energydrinks.
Boris Lemmer

7. Teilchenphysik im Alltag

Sie führen schon ein witziges Leben, diese Teilchenphysiker, oder? Aber dieses ganze Rumgeforsche an den kleinsten Bausteinen der Welt, bringt uns das etwas für den Alltag? Geht es um mehr als pure Erkenntnis, woher wir kommen, woraus wir sind, wieso wir funktionieren und was mit uns einmal passiert? Erst einmal nicht. Und es ist ja auch so schon Motivation genug. Aber ich bekomme oft die Frage gestellt: „Was bringt es mir denn überhaupt? So viel Geld für Forschung und das alles ohne konkreten praktischen Nutzen? Muss das sein?“ Nichts muss. Aber ich finde, Grundlagenforschung mit dem unnachgiebigen Suchen nach ganz fundamentalen Antworten gehört zu unserer Kultur dazu. Sicher, ATLAS ist groß und teuer. Sollten wir dann aber nicht vielleicht auch seinen genauso schweren Kollegen Eiffelturm einschmelzen und verkaufen? Oder keine Theater mehr fördern? Ich denke nicht. Und wenn man bedenkt, dass der Etat vom CERN so groß ist wie der einer normalen deutschen Universität, aber von 20 Staaten getragen wird, sollten noch mehr Zweifel abgebaut werden.
Wenn also die Teilchenphysiker ihre Forschung betreiben, lässt man sie einfach mal machen. Aber auch ganz ohne den Druck, etwas entwickeln zu müssen, was den Menschen später mal nutzen wird, kommen doch hin und wieder ganz nützliche Dinge aus dem Bereich der Teilchenphysik. Meist, ohne dass wir uns dessen bewusst sind. Mal sehen, was wir der Teilchenphysik zu verdanken haben.
Teilchenphysik, das bedeutet immer auch: Unmengen an Daten. Wissenschaftler auf der ganzen Welt, die zusammenarbeiten. Und das nicht erst seit heute.
Boris Lemmer

8. Neues aus der Teilchenwelt

Als 2012 das Higgs-Boson entdeckt wurde, dachten sich viele „Wow, alles richtig gemacht!“. 50 Jahre zuvor war die Idee vom Higgs-Mechanismus und des dazugehörigen Teilchens nicht mehr als eine Idee. Und jetzt, nachdem der LHC und seine Experimente Jahrzehnte geplant und gebaut wurden, kam die Bestätigung durch die gesammelten Daten: Die Idee des Higgs-Mechanismus war richtig, die Arbeit hatte sich gelohnt. Endlich wusste man Bescheid, wieso Elementarteilchen eine Masse haben. Und gute Ideen werden belohnt. Richtig gute mit einem Nobelpreis für Physik. Und im Gegensatz zu diesem Buch war das Nobelpreiskommitee auch richtig fair: Zwar spricht man heute gerne vom „Higgs-Mechanismus“ und dem „Higgs-Teilchen“, jedoch hatten neben dem Namensgeber Peter Higgs auch die Physiker François Englert, Robert Brout, T. W. B. Kibble, Carl R. Hagen und Gerald Guralnik die gleiche Idee. Da Higgs jedoch der Erste war, der neben dem Mechanismus auch das Teilchen vorhergesagt hat, ist er zum Hauptnamensgeber geworden. Wer etwas politisch korrekter sein möchte, der sagt also besser Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble-Mechanismus statt Higgs-Mechanismus.
Boris Lemmer

9. Und weiter geht‘s! – Ausblick

Sie wollen bis ans Limit gehen, die Teilchenphysiker. Sie fragen: „Was ist da drin? Und dann darin? Und dann darin?“, und hören nicht auf. Sie haben uns in den letzten Jahren immer neue, weitergehende Antworten auf die Frage gegeben, woraus wir bestehen. Aus Atomen! Ach nein, aus Elektronen und Kernen! Ach nein, aus Elektronen, Protonen und Neutronen! Ach nein, aus Elektronen und Quarks! O. k., für den Rest des Universums brauchen wir noch ein paar mehr Teilchen.
Boris Lemmer

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