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2012 | Buch

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Odyssee im Zeptoraum

Eine Reise in die Physik des LHC

verfasst von: Gian Francesco Giudice

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Die Entdeckung des Higgs-Bosons hat die Welt der Teilchenphysik erschüttert. Doch was ist das Higgs-Boson, und warum spielt es für unser Verständnis des Universums eine so bedeutende Rolle? Dieses Buch gibt seinen Lesern eine einfache und verständliche Anleitung an die Hand, um die aktuellen Entdeckungen am Large Hadron Collider (LHC), dem größten Teilchenbeschleuniger der Welt am CERN, nachzuvollziehen. Ein Physiker des CERN führt uns durch die Welt der Teilchenphysik: Die Reise reicht von den erstaunlichen technologischen Innovationen, die zum Bau des LHC erforderlich waren, bis in die spekulativen Theorien zur Beschreibung der letztgültigen Gesetze, denen das Universum unterworfen ist. Es ist eine außergewöhnliche Reise ins Innere der Materie, ein fesselndes Abenteuer in einem seltsamen und verstörenden Raum, welche uns hier die Tragweite der derzeitigen geistigen Revolution vor Augen führt. Was haben wir nach der Entdeckung des Higgs-Bosons zu erwarten? Ist im Raum eine Supersymmetrie verborgen, oder erstreckt er sich in neue Dimensionen? Wie sollen die im LHC kollidierenden Protonen die Geheimnisse des Ursprungs unseres Universums aufdecken? Diese Fragen werden von einem ausgewiesenen Fachmann formuliert und erörtert.

Ohne bei der wissenschaftlichen Korrektheit Abstriche zu machen, wird dieser hochaktuelle Stoff hier in einem angenehmen und zugänglichen Stil dargeboten. Dieses Buch soll nicht nur informieren, sondern auch die Ehrfurcht und Erregung eines Physikers angesichts der Tatsache nachempfindbar machen, dass wir im Begriff sind, im Verständnis unserer Welt in ein neues Zeitalter einzutreten.

»Gian Giudice hat — wie man es von einem solch klaren, wahren Denker erwarten würde — ein Buch vorgelegt, das gleichzeitig herausfordert und anregt und dabei neue Einblicke in die Welt der Teilchen und ihrer Wechselwirkungen bietet.« Ken Peach, John Adams Institute for Accelerator Science, University of Oxford and Royal Holloway University of London.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Teilchen in der Materie

Frontmatter

1. Die Zerlegung der Materie

Zusammenfassung

Ein Tröpfchen Öl auf der Wasseroberfläche kann sich nicht unendlich ausbreiten; die Größe des Ölflecks wird von der Moleküldicke des Öls begrenzt. Salz ist in Wasser nur bis zu einer Höchstkonzentration lösbar; jenseits dieser Grenze sinkt es auf den Boden des Gefäßes. Das sind einfache Hinweise auf ein beobachtbares Faktum der Natur: Materie ist kein Kontinuum; sie ist aus Einzelteilen zusammengesetzt. Hinter der simpel scheinenden Erkenntnis, dass Materie aus diskreten Teilen besteht, verbergen sich einige der bemerkenswertesten Geheimnisse der Natur. Im Innern der Materie sind erstaunliche neue Welten zu entdecken, revolutionäre Grundprinzipien und ungewöhnliche Phänomene, die unserm intuitiven Verständnis zuwiderlaufen und unsere Sinneswahrnehmungen Lüge strafen.

Gian Francesco Giudice

2. Die Naturkräfte

Zusammenfassung

Einige Denker der Antike hatten den intuitiven Gedanken, jede Form der Materie könne sich letztlich auf wenige fundamentale Elemente zurückführen lassen. Die moderne Wissenschaft hat ihnen recht gegeben. Schwerlich aber wäre den antiken Philosophen in den Sinn gekommen, dass dies nicht nur für die Materie, sondern auch für die Kräfte gilt. Weniger intuitiv erschließt sich die Vorstellung, dass sämtliche Naturphänomene in all ihrer Unterschiedlichkeit und Komplexität sich auf vier Grundkräfte zurückführen lassen: Gravitation, Elektromagnetismus, schwache und starke Kraft. Sogar noch schwerer vorhersehbar ist die Erkenntnis, dass ebenso wie die Materie auch die Kräfte von Elementarteilchen hervorgebracht werden. Der gedankliche Weg zu dieser Erkenntnis war nicht einfach.

Gian Francesco Giudice

3. Das Erhabene Wunder

Zusammenfassung

Der höchste Lohn eines Physikers ist die Entdeckung, dass verschiedenartige Phänomene eine gemeinsame Erklärung haben, die sich aus einem einzelnen Grundsatz ergibt. Das wohl erfolgreichste Beispiel einer solchen Synthese in der Physik ist die moderne Theorie der Teilchenphysik. Sie ist ein wahres Erhabenes Wunder, das sämtliche bekannten Phänomene in der Teilchenphysik auf Grundlage eines einzigen Prinzips erklärt. Die Ereignisse, die zur Entdeckung dieser Theorie führten, sollen in diesem Kapitel kurz dargestellt werden.

Gian Francesco Giudice

Das Raumschiff des Zeptoraums

Frontmatter

4. Eine Leiter zum Himmel

Zusammenfassung

Um die Wende zum 20. Jahrhundert herrschte in der Wissenschaft allgemein die Ansicht, die Physik habe ihren Auftrag zur Entdeckung der Naturgesetze erfüllt. 1871 schrieb Maxwell: »Anscheinend geht die Meinung um, dass die großartigen physikalischen Konstanten in ein paar Jahren sämtlich annähernd geschätzt sein werden und dass die einzige Beschäftigung, die Männern der Wissenschaft dann noch bleibt, darin bestehen wird, diese Messungen um eine weitere Stelle nach dem Komma fortzuführen.« 1900 wiederholte Kelvin: » Es gibt in der Physik nichts Neues zu entdecken.

Gian Francesco Giudice

5. Der Herr der Ringe

Zusammenfassung

Die ersten Ideen und Machbarkeitsstudien für den Large Hadron Collider gehen auf den Beginn der 1980er Jahre zurück; als Geburtsstunde des Projekts gilt jedoch allgemein das Symposium in Lausanne im Jahr 1984. Bei diesem Treffen befassten sich die Befürworter mit den Herausforderungen, die der Bau mit sich bringen würde, und umrissen die Merkmale der Maschine. Der Plan sah in seiner ursprünglichen Fassung Protonenstrahlen mit Energien von bis zu 10 TeV anstelle der letztlich festgelegten 7 TeV bei einer niedrigeren Luminosität vor.

Gian Francesco Giudice

6. Teleskope für den Zeptoraum

Zusammenfassung

Ohne Teleskope wäre es uns nicht möglich, weit entfernte Supernova-Explosionen zu beobachten. Ebenso benötigen wir spezielle Instrumente, um die winzigen Teilchenexplosionen aus dem Zusammenprall von Protonen im Large Hadron Collider zu betrachten. Diese Teilchenexplosionen werden in der Physik Ereignisse genannt, die Instrumente zu ihrer Beobachtung Detektoren. Detektoren sind darauf ausgelegt, die Echos aus dem Zeptoraum aufzuzeichnen. Sie halten das Ereignis fest, indem sie die Spuren sämtlicher aus dem Strahl gesprengter Teilchen zurückverfolgen und ihre Eigenschaften messen, etwa ihre elektrische Ladung, ihre Energie und ihren Impuls.

Gian Francesco Giudice

Missionen im Zeptoraum

Frontmatter

7. Symmetriebrechungen

Zusammenfassung

Zu Beginn jeder Episode von »Raumschiff Enterprise« werden wir daran erinnert, dass die Enterprise unterwegs ist, »um neue Welten zu erforschen, neues Leben und neue Zivilisationen«. Dabei »dringt die Enterprise in Galaxien vor, die nie ein Mensch zuvor gesehen hat«. Die Mission des Large Hadron Collider—des Raumschiffs für den Zeptoraum—ist nicht weniger ehrgeizig und erscheint, wie wir im Folgenden sehen werden, mitunter noch fremdartiger als Science Fiction.

Gian Francesco Giudice

8. Vom Umgang mit der Natürlichkeit

Zusammenfassung

Als Neil Armstrong und Buzz Aldrin am 20. Juli 1969 mit der Mondfähre auf der Oberfläche des Mondes landeten, erwarteten sie keine Begrüßung durch seltsame Wesen mit grüner Haut und langen Antennen. Man wusste bereits genug über den Mond, um eine Begegnung dieser sonderbaren Art ausschließen zu können. Die Erkundung des Zeptoraums durch den Large Hadron Collider ist eher mit der Fahrt vergleichbar, die Marco Polo unternahm. Der venezianische Reisende wusste von der Existenz des Reichs von Kublai Khan, hatte aber nur eine vage Vorstellung von den »fabelhaften Städten und seltsamen Bestien«, die er unterwegs zu finden hoffte. Ähnlich wissen wir, dass im Zeptoraum etwas Neues existieren muss: das Element, das für die elektroschwache Symmetriebrechung verantwortlich ist. Dieses Element wird aller Voraussicht nach die Gestalt eines Higgs-Bosons haben. Dennoch sind viele Physiker überzeugt, dass das Higgs-Boson nicht das Ende der Geschichte darstellen kann und dass der Zeptoraum von anderen »fabelhaften Teilchen und seltsamen Phänomenen« bevölkert sein muss.

Gian Francesco Giudice

9. Supersymmetrie

Zusammenfassung

Die Raumzeit ist die Bühne, auf der sich die Naturerscheinungen abspielen. Unter Aufbietung unserer Vorstellungskraft aber wollen wir uns einen größeren Raum denken, der sich in Dimensionen jenseits der drei Richtungen im Raum und der einen in der Zeit erstrecken. Wir wollen uns weiterhin vorstellen, die Geometrie des Raums, den diese neuen Dimensionen beschreiben, weiche vollkommen von der Norm ab. Ein Quadrat, wie lang seine Seiten auch sein mögen, hat stets den Flächeninhalt null. Ein Rechteck kann eine Fläche von ungleich null haben, ist jedoch auch mit ungewohnten Eigenschaften ausgestattet. Wie Abb. 9.1 illustriert, wechselt seine Fläche, wenn die Seiten des Rechtecks vertauscht werden, das Vorzeichen und wird negativ.

Gian Francesco Giudice

10. Von neuen Dimensionen zu neuen Kräften

Zusammenfassung

Unbekannte Welten, die in neuen Raumdimensionen verborgen liegen, sind seit jeher ein Lieblingsthema der Science-Fiction-Autoren. Die Vorstellung, dass sich der Raum über das sinnlich Wahrnehmbare hinaus ausdehnen könnte, existiert jedoch bereits, seit der Mensch denken kann. Fast alle Religionen behaupten die Existenz von Welten, zu denen der Mensch keinen Zugang hat, Welten, in denen die Götter wohnen oder die als Unterwelten dienen. Die klassische Literatur ist voller Bezugnahmen auf Parallelwelten.

Gian Francesco Giudice

11. Das Universum unter dem Mikroskop

Zusammenfassung

Weite Verbreitung findet die irrige Meinung, am Large Hadron Collider würden die Bedingungen rekonstruiert, die kurz nach dem Urknall herrschten. Das stimmt nicht. Die Vorstellung, die auf einer Verwechslung der Konzepte von Energie und Temperatur gründet, lautet folgendermaßen: »Die Gesamtbewegung der Galaxien, die sich mit einer Geschwindigkeit proportional zu ihrer Entfernung von uns wegbewegen, belegt die momentane Expansion unseres Universums. Aus der Zurückverfolgung der Geschichte des Weltraums zu ihren Ursprüngen leiten wir ab, dass das Universum früher einmal sehr heiß und dicht war und daher aus einer Urteilchensuppe bestand. Unter diesen Bedingungen besaßen die Teilchen eine hohe Energie und prallten häufig aufeinander, und genau dies geschieht am LHC.

Gian Francesco Giudice

12. Nachwort

Zusammenfassung

Der Large Hadron Collider ist ein fantastisches Abenteuer des menschlichen Intellekts. Ziel dieses Abenteuers ist nicht allein die Entdeckung neuer Teilchen oder die Ergründung der Funktionsweise einer Welt weit jenseits unserer Sinneswahrnehmung. Sein Ziel ist sehr viel umfassender. Der LHC ist ein nächster Schritt auf dem langen Weg, den die Menschheit eingeschlagen hat, um die Bedeutung der physikalischen Erscheinungen zu ergründen, die Struktur der Materie, die Grundsätze der Natur und die fundamentalen Gesetze, denen das Universum gehorcht. Er ist ein Kernstück des weltumfassenden menschlichen Vorhabens, das wir Wissenschaft nennen. Hinter der mathematischen Komplexität der teilchenphysikalischen Theorien und der technologischen Kompliziertheit der experimentellen Apparaturen verborgen, sind die Fragen, mit denen sich das LHC-Projekt auseinandersetzt, dieselben Fragen, die den menschlichen Geist seit dem Anbeginn der Zivilisation umtreiben.

Gian Francesco Giudice

Backmatter

Titel: Odyssee im Zeptoraum
verfasst von: Gian Francesco Giudice
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-642-22395-2
Print ISBN: 978-3-642-22394-5
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-22395-2

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