Kurze Einführung in Erkenntnisse und Experimente der Elementarteilchen- und Hochenergie-Physik

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1 Kurze Einführung in Erkenntnisse und Experimente der Elementarteilchen- und Hochenergie-Physik Einleitung: Ein Ziel der Elementarteilchenphysik ist die Auffindung der elementaren Bausteine, aus denen alle Materie zusammengesetzt ist. Die Teilchenphysik sucht nach den "Grundbausteinen" der Materie. Diese Suche hat eine lange Tradition. Bereits im Altertum wurden von Naturphilosophen unteilbare "Atome" postuliert und im Mittelalter sagt Goethes Faust: "erforschen was die Welt im Innersten zusammenhält". Zu dieser Zeit nahm man 4 Grundbausteine an. Geschichte der Elementarteilchen: Altertum/ Mittelalter: "Atom"-Begriff bei einigen Naturphilosophen; Annahme von 4 Grundbausteinen: Erde, Luft, Feuer, Wasser. 18./19. Jh.: Kristalle und alle Materie ist aus 91 Elementen aufgebaut! Periodensystem konnte aufgestellt werden; Frage nach Aufbau bzw. innerer Struktur von Atomen stellt sich? 1913: Bohrsches Atommodell erklärt Periodensystem; benötigt werden nur 3 bzw. 4 Grundbausteine / Elementarteilchen: Proton, Neutron, Elektron (und Photon). ab 1932: In Experimenten werden immer mehr "Elementarteilchen" gefunden (> 300). Zu jedem Teilchen gibt es ausserdem ein Anti-Teilchen, das eine genau entgegengesetzte elektrische Ladung besitzt. Wieder stellt sich die Frage nach einer inneren Struktur? 1965: Alle bisher gefundenen und bekannten Teilchen können mit einem Schema von wenigen Quarks und Leptonen aufgebaut und erklärt werden! heute: Sind die bekannten 6 Quarks und 6 Leptonen zusammen mit ihren Antiteilchen tatsächlich elementare Grundbausteine? Wirklich (schon wieder) so viele? Nach dem Bohrschen Atommodell bestehen Atome aus einem Kern mit Protonen p+ und Neutronen n0 und aus einer Hülle mit Elektronen e-. Sie werden durch die elektromagnetische Kraft zusammengehalten, wobei die Stabilität erst mit der Quantentheorie, der QED, erklärt werden kann. Bei Experimenten stellte es sich heraus, dass Protonen und Neutronen nicht punktförmig sind, sondern eine innere Struktur besitzen. Weiterhin wurden neben diesen Teilchen, aus denen die Atomkerne aufgebaut sind, viele weitere Teilchen entdeckt. Mit einem Schema aus neuen Grund-Teilchen konnten das Proton und Neutron und alle anderen Teilchen mit bestimmten Eigenschaften als zusammengesetzt erklärt werden. Diese Grundteilchen werden Quarks genannt. Bis heute konnten Quarks allerdings nicht als einzelne freie Teilchen identifiziert, sondern immer nur als 2 oder mehr Bestandteile anderer Teilchen verstanden werden, weshalb man für Quarks das Konzept des Confinements d.h. des Einschlusses entwickelt hat. Danach tragen Quarks eine von drei möglichen Farbladungen (rot, grün, blau), die nie alleine, sondern für ein freies Teilchen nur in der Farbmischung weiss (wie z.b.: je 1 rot+grün+blau oder rot+anti-rot Quark) existieren kann. Bei den so möglichen Zusammensetzungen ergibt sich für ein freies Teilchen auch immer, trotz gedrittelter elektrischer Quarkladungen, eine ganzzahlige elektrische Ladung. Ähnlich wie die elektrische Ladung zur elektromagnetischen, trägt die Farbladung der Quarks zur starken Kraft / WW bei. Die Quarks sind bis zu den heute untersuchten Längen (L < 10E-18 m) punktförmig, d.h. nicht weiter zusammengesetzt. Ebenso punktförmig sind die Elektronen, die daher auch nicht aus Quarks zusammengesetzt, sondern ihrerseits (bisher) elementar sind. Zusätzlich zu den für den Aufbau der bekannten Materie benötigten Quarks und Elektronen wurden in den letzten Jahrzehnten jedoch auch viele Teilchen entdeckt, die äusserst kurzlebig sind und daher nicht zum Aufbau der gewöhnlichen Materie beitragen.

2 Zur Erklärung aller heute bekannten Teilchen benötigt man 6 Quarks und 6 Leptonen (je 3 x 2), die in 3 sogenannten Generationen, die sich durch Masse und Lebensdauer unterscheiden, angeordnet werden. Innerhalb einer Generation unterscheiden sich 2 Teilchen jeweils noch durch die elektrische Ladung. Generationen v. el. Ladung 1.Gen. 2.Gen. 3.Gen. Elementarteilchen Quarks +2/3 u c t ~ Masse in GeV 0, /3 d s b ~ Masse in GeV 0,01 0,1 10 ~ Lebensd. in sec stabil ~10E-20 ~10E-20 Leptonen -1 e μ τ ~ Masse in MeV 0, ν e ν μ ν τ ~ Masse in MeV ~0 ~0 ~0 ~ Lebensd. in sec stabil ~10E-6 ~10E-12 Zusätzlich werden noch genau so viele Antiteilchen mit entgegen gesetzter elektrischer Ladung benötigt. Nur die Quarks und Leptonen der 1.Generation sind stabil und bilden die gewöhnliche Materie, die der weiteren Generationen zerfallen mit Zeiten von meist << 10E-6 sec. Nachweisbar sind hier nur die Zerfallsprodukte der erzeugten Teilchen. Durch die Erzeugung und Untersuchung aller dieser, auch sehr instabilen Teilchen, erhofft man sich Erkenntnisse über mögliche weitere innere Strukturen und den generellen "Stoff" aus dem Materie besteht. Es stellt sich natürlich die Frage, ob und falls ja, warum es gerade 3 Generationen von Quarks und Leptonen gibt und wie die Massen und die Lebensdauern zustande kommen. Gleichzeitig zur Erforschung des Aufbaus von Teilchen werden Erkenntnisse durch die Untersuchung der Kräfte, die die Teilchen aufeinander ausüben, erwartet. Bekannt sind heute 4 Arten von Kräften bzw. Wechselwirkungen (WW), nämlich die starke, die elektromagnetische, die schwache Kraft und die Gravitation. Sie unterscheiden sich deutlich durch ihre relative Stärke, ihre Reichweite und die Teilchen, auf die sie wirken. Nach heutiger Vorstellung werden die Kräfte durch Austausch von Kraftteilchen vermittelt und können auch danach unterschieden werden. Kräfte (WW) Starke El.-mag. Schwache Gravitation Stärke (rel.): 1 1,37x10E-2 1x10E-5 6x10E-39 Reichweite: <10E-15 m unendl. <10E-16 m unendl. Wirk-Teilchen: quarks gel.t. (q, e, ) q, e, ν,... alle Kraft-Teilchen: gluonen photon W,Z-bosons graviton? Ruhemasse (Kraftteil.) 0?, Confin. 0 ~ 80 GeV 0 Theorie: (klassisch) - Maxwell - Newton Q-Th: "irdische Energie" QCD QED Fermi-Th. Allg.-Rel.-Th. Q-Th.: E: ~10E11 GeV Salam-Weinberg-Theorie Q-Th.: E: ~10E24 GeV GUT (Grand Unified Theory)? QGravitation? Q-Th.: E: ~10E28 GeV TOE (Theory of Everything)? Q-Th.: Quanten-Theorien QCD: Quanten-Chromo-Dynamik QED: Quanten-Elektro-Dynamik (Feynman, ) QGravitation: Quanten-Gravitation

3 Theoretische Grundlagen: Zur Beschreibung und Berechnung der jeweiligen Kräfte wurden verschiedene Theorien entwickelt. Mit der Newtonschen Gravitationstheorie konnten die Planeten-Bewegungen und das Fallen eines Apfels berechnet werden. Durch die Maxwellschen Gleichungen konnten elektrische und magnetische Kräfte berechnet und sogar auf dieselben Ursachen zurückgeführt werden. Mit der Maxwellschen Theorie wurden also 2 verschiedene, bekannte Kräfte vereinigt. Mit der Einführung des Bohrschen-Atommodells musste die klassische Maxwellsche Theorie der Elektrodynamik zur Quanten-Elektrodynamik erweitert werden. Damit konnte dann, äusserst erfolgreich, die Stabilität und das Verhalten von Atomen erklärt und berechnet werden. Heute versucht man alle Wechselwirkungen durch Quantenfeldtheorien zu beschreiben. Da in Quantentheorien Kräfte durch den Austausch von Teilchen ausgeübt werden, gehören zu jeder Wechselwirkung auch bestimmte Kraft-/WW-Teilchen. Nach heutigen Vorstellungen beruht die beobachtete Vielfalt der 4 Kräfte auf Symetriebrechungen bei unseren relativ geringen "irdischen" Energien, ähnlich Symetriebrechungs-Effekten bei Kristallen bei verschiedenen Temperaturen (Schmelzen bzw. Erstarren) oder der Symetriebrechung einer Roulett-Kugel beim Ausrollen (Erkalten). Anfangs, bei hohen "Urknall" Energien gab es danach nur eine einzige Kraft. Bereits 3 der 4 Kräfte können heute erfolgreich mit Quantentheorien bzw. sogenannten Eichfeldtheorien beschrieben werden. Die QCD beschreibt die starke Kraft mit Gluonen als Austauschteilchen und mit der Salam-Weinberg-Theorie gelang es die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung in einer gemeinsamen Theorie mit dem Photon und den W+/- bzw. Z-Bosonen als Austauschteilchen zu beschreiben. Die mathematische Formulierung solcher Theorien erfolgt mit Symetriegruppen der Gruppentheorie. Die SU(3) für die QCD und die SU(2)xU(1) für die vereinheitlichte "elektroschwache" Theorie bilden das sogenannte "Standardmodell". Eine vereinheitlichte SU(3)xSU(2)xU(1) Gruppe als Grand-Unified-Theory (GUT) soll einheitlich die starke, die el.-mag. und die schwache WW beschreiben, wartet aber noch auf letzte experimentelle Bestätigungen. Die Entwicklung einer Quanten-Gravitations-Theorie (QGD) ist bis heute jedoch ebenso wenig gelungen wie die Entwicklung einer Theory-of-Everything (TOE) zur Vereinheitlichung der Gravitation mit den anderen Kräften bzw. WW. Mit der von A. Einstein entwickelten Allgemeinen Relativitätstheorie wird die Gravitation zwar exzellent beschrieben, aber ihre mathematische Formulierung passt leider in keiner Weise zu den Quantenfeldtheorien. Es gibt aber große Anstrengungen und gute Ansätze und Ideen auch hier eine Vereinheitlichung zu erreichen. Schlagworte dazu sind u.a. Supersymetrie-, String- und Quanten-Loop-Theorien. Wer sieht, dass unsere bisherige Technik fast nur auf dem Verständnis der klassischen elektromagnetischen Kraft beruht, kann eine Idee davon erhalten, welche technischen Revolutionen durch die zukünftige Nutzung einer Quanten-Elektrodynamik und erst recht einer eventuellen Quanten-Gravitation auf die Menschheit zukommen könnten. Möglichkeiten und Schlagworte wie Quantencomputer, Schwerelosigkeit, wirkliche "Eroberung" des Weltraums (vgl. Segelschiff gegen Flugzeug) kommen einen dabei in den Sinn. Aus einer grundlegenden Theorie sollten sich auch die Massen von Teilchen ergeben. Eine verbreitete Theorie geht von einem zusätzlichen, universellen Feld, dem Higgs-Feld aus, mit dem alle Teilchen verschieden stark wechselwirken und dadurch ihre Masse erhalten. Nach dem zugehörigen WW-Teilchen, dem Higgs-Boson wird in Experimenten intensiv gesucht, bis heute konnte es jedoch nicht gefunden und damit diese Theorie auch noch nicht bestätigt werden. Auch theoretische Berechnungen von Teilchen-Massen werden versucht und angestrebt, sind jedoch unter anderem wegen der, zumindest im Fall der stark wechselwirkenden Teilchen, auch auf die Austauschteilchen, die Gluonen, selbst wirkenden Kräfte äußerst kompliziert und aufwendig. Die vierdimensionale Raum-Zeit muss in einem möglichst grossen, aber beschränkten Volumen quantisiert und das Feld an jedem Gitterpunkt berechnet werden. Dazu werden Höchstleistungs-Parallelrechner mit vielen tausenden von Prozessoren und einer hohen Zuverlässigkeit benötigt. Solche Gitter-Rechnungen gehören damit neben Berechnungen globaler Klimaänderungen, Strömungsdynamiken und -Turbulenzen, Rechnungen an menschlichen Genomen und Proteinfaltungen zu den "Great Challenges" der Berechenbarkeit.

4 Teilchenbeschleuniger: Zur Untersuchung kleinster Teilchen werden Geräte benötigt, mit denen die Strukturen von kleinsten Teilchen aufgelöst werden können. Optische Mikroskope ermöglichen eine Auflösung bis zum Bereich der Wellenlänge des Lichts, für höhere Auflösungen kann man Elektronen- Mikroskope verwenden, wobei nach der De Broglie Formel für möglichste kurze Wellenlängen und damit hohe Auflösungen eine zunehmend höhere Energie der Elektronen benötigt wird. Genau diesen Zusammenhang drückt der gleichwertig zum Begriff Teilchenphysik verwendete Begriff Hochenergiephysik aus, der eben eine Physik bezeichnet, die bei hohen Energien und damit kleinen Wellenlängen bzw. Abständen stattfindet. Für Auflösungen im Bereich von 10E-20 m werden Elektronenenergien im Bereich von GeVs benötigt, zu deren Beschleunigung Maschinen mit Längen bis zu mehreren Kilometern erforderlich sind. Solche Elektronenbeschleuniger bzw. Mikroskope können als Linearbeschleuniger konstruiert werden, bei den sehr hohen benötigten Energien ist jedoch meist eine Konstruktion als Ringbeschleuniger bzw. Speicherring effizienter. Ein solcher Speicherring besteht im Allgemeinen aus einem geschlossenen Stahlrohr in einem Ring von einigen hunderten Metern oder auch einigen Kilometern mit einem Durchmesser von ~10 cm, in dem ein Ultrahochvakuum aufrecht erhalten werden muss. In diesem Rohr laufen Elektronen meist als ein oder manchmal auch mehrere kleine Pakete mit einer Länge von wenigen cm und einem Durchmesser von wenigen mm um. Durch große, teilweise auch supraleitende, Elektromagnete werden die Elektronen im Ring und auf der Bahn gehalten. Die benötigten Magnet-Stromstärken liegen im Bereich von 1000 A, die Regelgenauigkeit muss wenige ma betragen. Die Beschleunigung und der Energienachschub erfolgt in vielen, teilweise ebenfalls supraleitenden, Hochfrequenz-Resonatoren und benötigt Leistungen im Bereich von MW. Der Gesamtstrombedarf solcher Maschinen liegt damit im Bereich von mehreren 10 MW. Für die Erreichung möglichst hoher Schwerpunktsenergien ist es günstig e-elektronen und e+positronen Pakete im Ring in Gegenrichtung umlaufen und an "Wechselwirkungspunkten" aufeinander treffen zu lassen. Bei einer Ringlänge von ca. 300m, wie beim Speicherring DORIS, trifft sich ein e+ mit einem e- Paket an 2 Stellen ca. 1 Million mal pro sec. Eine echte Kollision ist trotzdem eher selten, meist durchdringen sich die Pakete ohne Treffer. Prallen jedoch Elektronen bei diesen hohen Energien auf andere Teilchen bzw. aufeinander, so können nicht nur Strukturen in Teilchen entdeckt, sondern aus der bei der Kollision freigesetzten Energie gemäß der Einsteinschen Formel E=mc2 auch neue Teilchen produziert werden. Es geschieht eine Art "kleiner Urknall", bei dem aus Energie neue Materie entsteht und als neue Teilchen wegfliegt. An diesen

5 Wechselwirkungszonen stehen daher große "Detektoren", zur Registrierung der Spuren der möglichst interessanten Ereignisse. Nach ca. 1-2 Stunden Strahl-Betrieb ist der Teilchenstrom von anfangs ~50mA auf <~20mA abgefallen und es muss neu nachgefüllt werden, was i.a. etwa 5-10 Minuten dauert. Weltweit sind etliche solcher e+e- Maschinen in Forschungszentren wie DESY in Deutschland, CERN in Genf und SLAC in Stanford/USA u.a. in Betrieb. Meist sind auch mehrere Anlagen vorhanden, die sich durch die Größe und die davon abhängige erreichbare maximale Schwerpunktsenergie unterscheiden. e+e- Maschinen: Name ~Umfang ~Energie D: DESY DORIS 300 m 10 GeV PETRA 3 km 50 GeV HERA 6 km 100 GeV E: CERN LEP 30 km 200 GeV USA: SLAC SPEAR 100 m 5 GeV An den Ring-Krümmungen wird von den kreisförmig beschleunigten Elektronen viel Energie in Form von sehr intensiver hochenergetischer Röntgen-Strahlung, die sogenannte Synchrotron-Strahlung abgestrahlt. Einige Speicher-Ringe werden heute schon nicht mehr für die Teilchenphysik, sondern nur noch speziell als Quellen für solche Röntgenstahlung genutzt und sogar neu gebaut. Es sind die stärksten verfügbaren Röntgenquellen und werden neben der Materialforschung vor allem auch intensiv zur Untersuchung von biologischen Strukturen, wie Viren und auch Proteinen genutzt und sind auch für den Einsatz bei Angiografien von Herzkranzgefäßen im Gespräch. Statt Elektronen können prinzipiell auch schwerere Teilchen, wie Protonen, bzw. Ionen, wie Kohlenstoff u.a, in Speicherringen beschleunigt werden, wobei dann bei gleichem Radius sogar noch erheblich höhere Endenergien erreicht werden können. Allerdings sind die physikalisch interessanten Ereignisse bei solchen Kollisionen erheblich vielfältiger und daher schwerer zu analysieren als bei Elektronen-Speicherringen. Ein sinnvoller Einsatz wird jedoch ebenfalls auch noch in anderen Gebieten, wie z.b. in der Materialforschung und in der Krebstherapie diskutiert, wo es mit diesen schweren Partikeln möglich wäre, Tumoren erheblich zielgenauer zu zerstören und dabei das umgebende Gewebe viel besser zu schonen, als mit den heute verwendeten γ-strahlen.

6 Detektor: Aufgabe der Detektoren ist die Erfassung und Spektroskopie aller bei einer Wechselwirkung (WW) entstandenen Teilchen. Mit diesen "Bildern" können dann Vorhersagen von Theorien überprüft werden. Heute werden, im Gegensatz zu früheren Nebelkammern, praktisch ausschließlich elektronische Detektoren mit elektronischer Auswertung verwendet. Der Detektor ist direkt um den Wechselwirkungspunkt des Speicherrings aufgebaut. Die Größe solcher Detektoren ist sehr beeindruckend. Detektoren: Name Ausmaße Kanäle Crystal-Ball 2x2x2 m ~10000 ZEUS 10x10x20 m ~ Direkt um das Strahlrohr des Speicherrings - das innerhalb der Detektorzone aus Aluminium oder noch besser Beryllium besteht - befindet sich i.a. eine Drahtkammer zur Identifikation geladener Teilchen. Beim Crystal-Ball Detektor ist die Draht-Kammer ca. 1 m lang und hat cm Durchmesser. Darin eingezogen sind mehrere tausend dünne Drähte. Jedes der beiden Drahtenden ist über einen Verstärker mit einer Auswertungslogik und weiter mit einem Echtzeit- Datennahme Rechner verbunden. An die Drähte ist eine Hochspannung von 2-3 kv angelegt und die gesamte Kammer wird von ionisierbarem Gas durchströmt. Ein durchfliegendes geladenes Teilchen hinterlässt Gasionen, die von den geladenen Drähten angezogen werden

7 und beim Aufprall einen Spannungs-Impuls geben. Die Spannungsimpulse werden vom Rechner registriert und innerhalb eines Ereignisses können daraus die X- und Y- Koordinaten von durchfliegenden Teilchen erhalten werden. Die z-koordinate wird durch Pulshöhendiskrimination an den Drahtenden oder Spannungs-Impuls Laufzeitmessungen zwischen den Enden bestimmt. Nach der Drahtkammer kommen i.a. Detektoren zur Messung neutraler Teilchen. Der Crystal-Ball Detektor enthält 720 Stück NaJ-Kristalle von jeweils 40 cm Länge, die konzentrisch in einem Ikosaeder angeordnet und auf den WW-Punkt ausgerichtet sind. In diesen Kristallen werden Teilchen abgebremst, dabei geben sie Energie in Form von Szintillationslicht ab, dessen Intensität registriert wird und eine Aussage über die kinetische Energie des Teilchens ermöglicht. Dazu sitzt am Ende jedes Detektor-Kristalls ein Photomultiplier und Verstärker, der jeweils mit dem Datennahme Rechner verbunden ist und von diesem ausgelesen werden kann. Nach einer Eisenschicht von ca cm Dicke kommen noch großflächige Szintillationszähler, die zur Identifikation von Myonen dienen und die ebenfalls über Photomultiplier ausgelesen werden. Beim Betrieb des Rings entsteht eine nicht unerhebliche ionisierende Strahlung, sodass in dieser Zeit kein unmittelbarer Zugang zum Detektor möglich bzw. erlaubt ist. Der größte Teil der Datennahme-Elektronik wie ADCs und Steuerrechner ist daher zentral in einem Kontrollraum in einigen Metern Entfernung vom Detektor zusammengefasst. Alle Signalkabellängen dorthin müssen möglichst gleich lang und vor allem genau bekannt sein, um genaue zeitliche Messungen im Bereich von ns zu ermöglichen. Die zur Verbindung der Komponenten im Allgemeinen benutzten Koax-Kabel tragen daher Laufzeitkennungen wie z.b. 0,5 ns, 10 ns oder 100 ns. Datennahme / -erfassung: Beim Durchdringen der Teilchenpakete im Ring kann ein "Ereignis" stattfinden. Kennzeichen eines Ereignisses ist, dass i.a. aus der Vernichtung von Teilchen und Antiteilchen, aus dem Feuerball (Urknall), viele neue Teilchen entstehen, die in alle Richtungen auseinanderfliegen und im Detektor ihre Spuren hinterlassen. Es gilt diese Spuren festzuhalten, aus denen dann das Geschehen rekonstruiert werden kann. Ein "Ereignis" wird definiert durch das gleichzeitige Ansprechen verschiedener Detektorkomponenten. Dies wird durch Zusammenschalten der entsprechenden an jeder Komponente sitzenden Elektronik in einem schnellen, sogenannten HW-Trigger festgestellt. Erkennt der HW-Trigger ein Ereignis, wird sofort an alle Detektor- bzw. die dazugehörigen Elektronik-Komponenten ein Haltesignal gegeben. Daraufhin werden von einem Echtzeit-Datennahme-Rechner alle Detektorkomponenten ausgelesen, als ein Ereigniswort auf einer Magnetplatte zwischengespeichert und von dort auf Datenbändern endgültig abgespeichert. Im Fall des Crystal-Ball Detektors ist der Datennahme- Rechner eine PDP-11, die Länge eines Ereigniswortes beträgt etwa Byte, die Ereignisfrequenz etwa 5 Hz, d.h. jede Sekunde fallen ca. 50 kb an Daten an. Die Datennahme- Programme sind teilweise in Assembler, in Fortran und auch in C erstellt. Über Laufperioden von mehreren Monaten oder auch Jahren werden so mehrere oder viele Millionen Ereignisse aufgezeichnet, die dann später in Offline-Analysen nach charakteristischen Ereignissen durchsucht werden. Während der Datennahme werden auch ständig statistische Aufsummationen und Anzeigen der Treffer in allen Detektor-Komponenten durchgeführt. Ausgefallene Komponenten, die über einige Zeit keinerlei Treffer zeigen, können so zumindest innerhalb weniger Stunden erkannt werden. Für die Zeit des Nachfüllens von Elektronen bzw. Positronen in den Beschleuniger, also nach etwa 1-2 Stunden Strahl-Betrieb, wird die Datennahme für kurze Zeit unterbrochen. Danach startet jeweils ein neuer Datennahme "Run".

8 Datenauswertung / Ereignissuche: Eine Auswertung der auf den Magnetbändern gespeicherten Daten erfolgt in der Weise, dass Vorkommen und Häufigkeit von Ereignissen, die bestimmte Teilchen bzw. -signaturen enthalten, gesucht wird. Für eine solche Suche nach Ereignissen mit bestimmten Signaturen müssen die als Ereignis-Wort aufgezeichneten Detektor-Daten zu physikalischen Größen wie Teilchenbahn, - energie, u.ä. "rekonstruiert" werden. Für eine effektive Durchführung der vielen unterschiedlichen Suchvorgänge werden aus den gespeicherten Rohdaten daher als nächstes physikalisch interpretierbare Ereignisse "produziert", d.h. zu dem Rohdatenwort mit den Pulshöhen aller Detektorkomponenten werden weitere Daten hinzugefügt, in denen Koordinaten, Energiedeposition und Anzahl von Teilchen-Spuren eingetragen werden. Um falsche Ereignisse z.b. aus kosmischer Strahlung auszuschließen, werden auch kinematische Rekonstruktionen durchgeführt und dabei die Energie- und Impulserhaltung gefordert. Die Suche nach physikalisch interessanten Ereignissen kann dann effizient in diesen produzierten Daten erfolgen. Alle diese Arbeiten erfolgen auf Gross-Rechnern, die nötigen Programme werden vor allem in Fortran erstellt. Sehr kurzlebige Teilchen können allerdings nicht direkt, sondern nur über ihre Zerfallsprodukte im Detektor nachgewiesen werden. Gesucht werden könnten z.b. alle Ereignisse mit 2 Elektronen und 2 Photonen oder mit 2 Myonen und 2 Photonen, die aus einem bestimmten Zerfallskanal eines interessierenden Teilchens stammen. Solche Ereignisse werden dann z.b. identifiziert und gezählt und ihre Häufigkeit in Relation gesetzt zu anderen Ereignissen. Damit ergeben sich die Verzweigungsverhältnisse für bestimmte Zerfallskanäle. Weiterhin können aus den gefundenen Ereignissen auch die Energien und Winkelverteilungen der beteiligten Teilchen errechnet werden. Alle experimentell gefundenen Ergebnisse werden mit theoretischen Modellen und Vorhersagen verglichen und können diese somit bestätigen oder widerlegen. Da, neben den echten Daten, von Zeit zu Zeit auch Ereignisse bei abgeschaltetem Beschleuniger aufgenommen werden, kann, aus der Analyse dieser Daten ( Cosmic-Runs ), auch ein möglicher Beitrag von Untergrundsereignissen bestimmt und dann subtrahiert werden. Um weiterhin genaue quantitative Aussagen über die erfassten Ereignisse machen zu können, sind neben den Datenauswertungen auch Akzeptanzbestimmungen der gesamten Apparatur und Analyse-Kette nötig. Ein weit verbreitetes Verfahren sind hierfür sogenannte "Monte-Carlo" Simulationen. Dabei werden im Rechner nach Zufallsverfahren Ereignisse erzeugt, durch den simulierten Detektor geschickt und wie echte Ereignisse gespeichert und analysiert. Aus der Anzahl von den in der Simulation erzeugten zu den in der Analyse gefundenen Ereignissen können dann Akzeptanzwerte der Apparatur zusammen mit der Analyse-Kette erhalten werden. Nach der Auswertung aller erwarteten Ereignisse wird meist auch noch eine Suche nach unerwarteten und unbekannten Ereignissen versucht. Hierbei ergibt sich natürlich das Problem, dass durch algorithmische Suche in solchen großen Datenmengen nur sehr schwer signifikante Ereignisse gefunden werden, wenn man nicht genau weiss, wonach man eigentlich suchen soll. Kommunikation und Vernetzung: Zu Zeiten des Experimentaufbaus und der Datennahme ist für die unmittelbar beteiligten Personen ein weitgehend ständiger Aufenthalt am Experiment erforderlich. Für diese Mitarbeiter sind dann schnelle und wegen der in vielen Fällen mehrstündigen Zeitverschiebung z.b. 9 Stunden zwischen Hamburg und SLAC in Kalifornien auch asynchrone, zeitunabhängige Kommunikationsmöglichkeiten zu den beteiligten, weltweit verteilten Heimatinstituten erwünscht und nötig. Dafür wurden Anfang der 80-er Jahre erste FAX-Geräte angeschafft und erste Verbindungen zwischen Deutschland und den USA in Betrieb genommen. Nach der Datennahme kann die Analyse bzw. Auswertung der Daten, im Prinzip an jedem Ort erfolgen, an dem genügend Rechenleistung und Zugang zu den Daten vorhanden ist. Verständlicherweise entsteht daher der Wunsch auch von ausserhalb, z.b. nun von den Heimatinstituten aus, Analysen durchführen zu können. Dafür wurden dann die ersten X.25 Datex-P Verbindungen in Betrieb genommen. Über eine 3270-Terminal-Emulations SW, die mit Unterstützung des DESY-Rechenzentrums für die neu auf dem Markt angebotenen IBM-PCs entwickelte wurde, konnte mit den DESY-Rechnern in Kontakt getreten werden. Zum schnellen Filetransfer wurden eigene Kompressionsprogramme erstellt. Zur Unterstützung der Hochschulen beim Aufbau eines dazu nötigen, leistungsfähigen Datennetzes wurde, mit Beteiligung von DESY, der DFN-Verein gegründet, der für die technischen Grundlagen zur Vernetzung der Hochschulen und Forschungseinrichtungen sorgen sollte.

9 Ergebnisse: Die Arbeiten und Ergebnisse entstanden in den Jahren am DESY in Hamburg in der Crystal-Ball Kollaboration im Rahmen einer Dissertation mit dem Titel: "Messung von neutralen hadronischen Übergängen der Y(2S) Resonanz in die Y(1S) Resonanz mit dem Crystal Ball Detektor bei DESY" Abstract: Diese Arbeit betrachtet ein aus einem b und anti-b - Quark zusammengesetztes Meson, das Y- Meson. Dabei werden neutrale hadronische Zustandsübergänge des angeregten Y(2S) Zustandes in den Y(1S) Grundzustand durch Aussendung von π bzw. η Teilchen untersucht. Die Analyse basiert auf Daten von etwa 10 Millionen Ereignissen aus e+e- Kollisionen, die in den Jahren 1982 bis 1984 mit dem Crystal-Ball Detektor am Speichering DORIS II am DESY in Hamburg aufgenommen wurden und in denen etwa Y(2S) Zerfälle enthalten sind. Im einzelnen wurden die π0π0 Übergänge mit dem γγγγ Endzustand, der η Übergang mit dem γγ und γγγγγγ Endzustand (aus η -> π0π0π0) und auch der, aus Isospingründen verbotene, Übergang in ein einzelnes π0 untersucht. Beim weiteren Zerfall des Y(1S) Mesons wurden die Zerfälle in e+eund μ+μ untersucht. Aus den aufgenommen Ereignissen konnten 126 Ereignisse als Y(2S) -> π0π0y(1s), 5 Ereignisse als Y(2S) -> ηy(1s) Zerfälle und kein Y(2S) -> π0y(1s) Zerfall rekonstruiert werden. Unter der Annahme der Lepton Universalität und des gegenwärtigen Welt-Mittelwerts von Bμμ(Y(1S)) ergibt die Analyse ein Verzweigungsverhältnis für den π0π0 Zerfall von B(Y(2S)->π0π0Y(1S)) = ( )%. Die Winkelverteilungen der Zerfallsprodukte sind konsistent mit denen, die aus der Emission eines Spin-0 ππ-systems in einer relativen S-Welle mit dem Y(1S) erwartet werden. Das Spektrum der invarianten Masse Mππ des zwei-pionen Systems besitzt einen Peak bei hohen Massen, in Übereinstimmung mit theoretischen Erwartungen und anderen Messungen des ππ Übergangs, speziell des π+π Übergangs. Für das Verzweigungsverhältnis des η Übergangs erhält man eine obere Grenze von B(Y(2S)->ηY(1S)) < 0.60% (mit 90% CL.) Für den Übergang in ein einzelnes π0 ergibt sich eine obere Grenze von B(Y(2S)->π0Y(1S)) < 0.50% (mit 90% CL.) Diese Ergebnisse bestätigen die theoretischen Modelle und die daraus errechneten Erwartungen für diesen Zerfall. Hamburg, Erlangen im März 1986, Bruno Lurz Beispiel eines rekonstruierten Ereignisses Y(2S) -> π0π0y(1s): (Ergänzungen, Update 1995, 1997)

10 Kollaboration: Die Erstellung der gesamten Detektor-HW und Software erfordert die koordinierte Zusammenarbeit vieler Menschen. Dafür werden Kollaborationen aus vielen Forschungs- und Hochschul-Teams von verschiedenen Ländern gebildet. Die Crystall-Ball Kollaboration bestand aus insgesamt etwa 70 Personen von etwa 13 Institutionen aus 6 Ländern. An der Crystal Ball Collaboration am DESY in Hamburg beteiligte Institute (1982): (About 70 people from 13 different institutions from 6 countries) California Institute of Technology, Pasadena, California University of Cape Town, Cape Town, South Africa Carnegie Mellon University, Pittsburgh, Pennsylvania Cracow Institute of Nuclear Physics, Cracow, Poland Deutsches Elektronen Synchrotron DESY, Hamburg, Germany Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, Germany Instituto Nazionale di Fisica Nucleare and University of Firenze, Firenze, Italy Universität Hamburg, I.Institut für Experimentalphysik, Hamburg, Germany Harvard University, Cambridge, Massachusetts University of Nijmegen and NIKHEF, Nijmegen, The Netherlands Princeton University, Princeton, New Jersey Department of Physics, High Energy Physics Laboratory and Stanford Linear Accelerator Center, Stanford University, California, USA Universität Würzburg, Germany