Die Revolution, die die Teilchenphysik erschütterte

Burton Richter ’52, PhD ’56, beschreibt seine mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Entdeckung gerne mit einem Kinderreim:

Sam Ting mit seinem Team am Brookhaven National Laboratory im Jahr 1974.

Gestern traf ich auf der Treppe einen Mann, der nicht da war. Heute war er wieder nicht da. Ich wünschte, er würde weggehen.



Es war 1974, nur zwei Jahre nachdem Richter und sein Team am Stanford Linear Accelerator Laboratory den Bau eines neuen Teilchenbeschleunigers namens SPEAR abgeschlossen hatten. Die 6-Millionen-Dollar-Maschine beschleunigte Elektronen und Positronen durch eine Schleife von Magneten mit einem Durchmesser von 80 Metern und zerschmetterte sie zu einem Schauer von Partikeltrümmern, um sie zu analysieren. Richter suchte nicht nach einem neuen Teilchen, aber da war es – eine hohe, schmale Spitze in den Daten, die auf ein schweres Teilchen mit einer ungewöhnlich langen Lebensdauer hinweist. Tatsächlich so lange – sieben Zeptosekunden oder etwa 7.000 Billionstel Sekunden – dass es dem Verständnis der Physiker von Elementarteilchen widersprach.

Zuerst dachten Richter und andere, dass etwas mit der Ausrüstung nicht stimmte, aber sie stellten bald fest, dass sie eine Entdeckung vor sich hatten. Niemand erwartete, was wir fanden. Niemand. Es kam völlig überraschend, sagt Richter, der sich zum ersten Mal für die Teilchenphysik begeisterte, nachdem er während seines ersten Jahres an der Graduiertenschule im Synchrotronlabor des MIT gearbeitet hatte.

Vielleicht ebenso überraschend fand ein Team auf der anderen Seite des Landes gleichzeitig dasselbe. Am Brookhaven National Laboratory leitete MIT-Professor Sam Ting ein Experiment, das in gewisser Weise das Gegenteil von Richters war. Anstatt Elektronen und Positronen zu vernichten, zerschmetterte Tings Gruppe Protonen in ein festes Target aus Beryllium, um schwere Teilchen zu erzeugen, die dann in Elektronen und Positronen zerfallen würden. Zufälligerweise hatten die beiden Gruppen ihre Beschleuniger auf denselben Energiebereich eingestellt und stießen auf denselben ungewöhnlichen Peak in ihren Daten.

Ulrich Becker, damals außerordentlicher Professor am MIT, spielte eine zentrale Rolle bei der Entdeckung von Brookhaven. Als emeritierter Professor hat er immer noch die originale, handgezeichnete Grafik in seinem Büro, die diesen unerwarteten Höhepunkt zeigt. Becker sagt, dass seine Gruppe zwar gehofft hatte, schwere Teilchen zu finden, aber auch sie schockiert waren, eines mit einer so langen Lebensdauer zu finden. Wir hatten keine Ahnung, warum zum Teufel das so war, sagt er. Wir waren sehr misstrauisch, aber da es so eindeutig war, gab es nur sehr wenig Raum für Zweifel.

Im November desselben Jahres flog Ting zu einem Verwaltungstreffen nach Stanford und begegnete Richter.

Sam sagte: „Burt, ich habe dir etwas Aufregendes zu erzählen“, erinnert sich Richter, und ich sagte: „Sam, ich habe etwas Aufregendes zu erzählen Sie .’

Als die beiden Forscher feststellten, dass ihre Teams die gleiche Entdeckung gemacht hatten, organisierten sie ein Laborseminar und präsentierten ihre Ergebnisse an diesem Tag. Innerhalb eines Monats veröffentlichten die Gruppen Back-to-Back-Papiere in Briefe zur körperlichen Überprüfung . Tings Gruppe nannte das neue Teilchen J, und Richters Gruppe nannte es Ψ (psi).

Das Überraschende an dem Teilchen war, dass es etwa tausendmal länger hielt, als Physiker damals vorhergesagt hatten, was bedeutet, dass es etwas an sich hatte, dem Physiker noch nie zuvor begegnet waren, zumindest nicht im Labor.

Etwa 10 Jahre zuvor hatten Theoretiker das Konzept der Quarks eingeführt – fundamentale Teilchen (und entsprechende Antiteilchen), die sich zu anderen Teilchen wie Protonen und Neutronen verbinden. Bis 1974 hatten Experimentatoren Beweise für drei Arten von Quarks gefunden – up, down und strange. Aber ein vorgeschlagenes viertes Quark, Charme, blieb schwer fassbar.

Anfang 1975 reiste Becker nach Deutschland, um einen Vortrag über das neue Teilchen zu halten. Anwesend war Werner Heisenberg, der theoretische Physiker, der für seine Arbeiten zur Quantenmechanik berühmt ist. An einer Stelle unterbrach Heisenberg Becker: „Immer wenn sie nicht wissen, was es ist, erfinden sie ein neues Quark“, erinnert sich Becker. Ich war wirklich verblüfft. Ich sagte ihm: „Schauen Sie, Professor Heisenberg, ich bestreite nicht, ob das Charme ist oder nicht. Ich sage Ihnen, es ist ein Teilchen, das nicht verschwindet.“ Totenstille. Es wurde sehr kalt im Zimmer. Dann sagte Heisenberg: „Angenommen.“

Die Physiker waren sich bald einig, dass das später als J/Ψ bezeichnete Teilchen aus einem Charm-Quark und einem Anticharm-Quark besteht.

Die Entdeckung von J/Ψ, die heute als Novemberrevolution bezeichnet wird, führte dazu, dass die Stabilität der Elementarteilchen von einer ungeordneten Menagerie zu etwas Strukturiertem und Vorhersagbarem wurde, das durch das beschrieben wird, was die Physiker das Standardmodell nannten. Ting und Richter erhielten 1976 den Nobelpreis.

Seitdem versuchen viele Menschen herauszufinden, was über das aktuelle Standardmodell hinausgeht, sagt Richter. Bisher hat es allen Angriffen standgehalten.

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