Harald Fritzsch QUARKS. Urstoff unserer Welt. Mit 9 1 Abbildungen. Vorwort von Herwig Schopper. R. Piper & Co. Verlag München Zürich

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1 Harald Fritzsch QUARKS Urstoff unserer Welt Mit 9 1 Abbildungen Vorwort von Herwig Schopper R. Piper & Co. Verlag München Zürich

2 ISBN O R. Piper & Co. Verlag, München 1981 Gesetzt aus der Times-Antiqua Gesamtherstellung Clausen & Bosse, Leck Printed in Germany Für Brigitte

3 Inhalt Vorwort von Herwig Schopper 9 Einführung Ein Blick in das Innere des Atoms Die einheitliche Theorie von Elektrizität und Magnetismus 3. Die starken Kernkräfte Wie viele Elementarteilchen? Mesonen. Baryonen und Quarks Die kalifornische Röntgenanalyse des Protons 7. Seltsames neues Quark Teilchen mit Charme und eine neue Naturkraft 9. Rote, grüne und blaue Quarks Quantenchromodynamik - die Theorie der Hadronen und der starken Wechselwirkung. 11. Quarks und die chromoelektrischen Kräfte Chromomagnetische Kräfte Quarks und ihre Feinstruktur Die uberraschung von PETRA: man»sieht«die Quarks Protonen werden in Quarks zerlegt Gluonenwerden»sichtbar«gemacht Schwache Wechselwirkungen der Leptonen und Quarks Die einheitliche Theorie der elektromagnetischen und schwachen Prozesse...

4 Hat die Physik ein Ende? LEP, HERA und die Physik der Zukunft 303 Vorschläge zur weiteren Lektüre Glossar Register....* I Vorwort I Um eine breitere Schicht der Bevölkerung an den aufregenden jüngsten Entwicklungen der Elementarteilchenphysik teilhaben zu lassen, müßten sich eigentlich 1 alle Wissenschaftler bereit finden, die Ergebnisse von unnötigem Beiwerk und insbesondere von ihrem Fachjargon befreit der Öffentlichkeit näher2iibringen. Im I I Anschluß an öffentliche Vorträge werde ich oft gefragt, wo man etwas über Quarks, Gluonen,»große Vereinigung«usw. nachlesen könne. Zu meinem Bedauern mußte ich bisher eine negative Antwort geben. Dieses Buch schließt nun eine echte Lücke. Der Autor, ein junger, brillanter Physiker, der selbst zum gegenwärtigen theoretischen Wissensstand wesentliche Beiträge geleistet hat, versteht es, den Leser an die jüngsten Forschungsergebnisse ohne mathematische Hilfsmittel heranzuführen und darüber hinaus einen spekulativen Ausblick in'die Zukunft zu geben.»was die Welt im Innersten zusammenhält«, hat die Menschheit schon immer beschäftigt, und die Frage nach dem Urstoff der Materie nimmt dabei eine zentrale Bedeutung ein. Es ist erfreulich, daß auch in unserer heutigen, oft als materialistisch gescholtenen Zeit sich insbesondere die junge Generation für solche Grundfragen, die zunächst nichts mit praktischen Anwendungen zu tun haben, lebhaft interessiert. Hier I wird etwas von dem Wunsch spürbar, die Zusammen-

5 hänge der uns umgebenden Naturvorgängezu erfassen, um damit letzten Endes auch das Verständnis der Stellung des Menschen im Kosmos zu verbessern und zur Lösung der Frage beizutragen, ob nur Zufall und Chaos herrschen oder ob das Naturgeschehen durch Sinn und Ordnung geprägt ist. Die daraus folgenden Konsequenzen für die Existenz einer zentralen Ordnung der Welt, für die Philosophie oder sogar Religion rechtfertigen es, die zweckfreie naturwissenschaftliche Grundlagenforschung als Teil unserer Kultur anzusehen. Das Eindringen in den Mikrokosmos erfordert - ähnlich wie das Vordringen in das Weltall - immer größere und teurere Geräte. Bei den in Planung befindlichen Projekten für die Elementarteilchenphysik in Europa, in den Vereinigten Staaten oder der Sowjetunion handelt es sich in der Tat um gigantische Anlagen. Das für das europäische Kernforschungszentrum CERN in Genf vorgeschlagene LEP-Projekt soll in einem Tunnel mit 30 Kilometer Umfang untergebracht werden, und auch die dazu komplementäre Anlage HERA, die bei DESY in Hamburg diskutiert wird, hat mit einem Tunnelumfang von mehr als sechs Kilometern für ein nationales Projekt ein beachtliches Ausmaß. Dieser angebliche Hang zur Gigantomanie wird gelegentlich in der Offentlichkeit kritisiert. Dabei stimmt es gar nicht, daß die Großforschung ein typisches Kind unserer Tage ist. So sind zum Beispiel die von mongolischen Herrschern im 15. bis 17. Jahrhundert errichteten großen Observatorien in Samarkand und Nordindien selbst nach heutigen Maßstäben äußerst eindrucksvolle Großforschungsanlagen. Wie damals, so erzwingen auch heute fundamentale Grundgesetze die Größe der Anlagen. Ihre Realisierung erfolgt häufig an der Grenze des technisch Machbaren und hat zu vielfältigen techni- schen Neuentwicklungen Anlaß gegeben, die auch auf ganz anderen Gebieten zu überraschenden Anwendungen geführt haben. Nicht zuletzt hat die Arbeit an den Großanlagen zu einer ausgedehnten und vorbildlichen internationalen Zusammenarbeit geführt, die in einer Reihe von Fällen Vorreiterdienste in den Beziehungen zwischen Ländern verschiedener Gesellschaftssysteme geleistet hat. Das Eindringen in den Mikrokosmos hat im Laufe der letzten 200 Jahre zur Entdeckung einer Fülle von grundsätzlich neuartigen Phänomenen geführt, und die Ergebnisse der letzten Jahre deuten darauf hin, daß noch kein Ende abzusehen ist. Die Aufdeckung von neuen Naturerscheinungen hat neben ihrer kulturellen Bedeutung aber auch große praktlstfie Konsequenzen für die Lösung dringender Probleme der Menschheit. Die Entdeckung der elektrischen und magnetischen Erscheinungen im vergangenen Jahrhundert hat unser heutiges Alltagsleben revolutioniert. Mit Hilfe der Elektromotoren wurden wir von harter körperlicher Arbeit befreit. Die Vereinigung von elektrischen und magnetischen Erscheinungen hat zur Entdeckung der elektromagnetischen Wellen geführt, und Radio und Fernsehen sind heute zur Befriedigung unseres Informationsbedürfnisses kaum mehr wegzudenken. Ohne die Kernkraft, die erst in diesem Jahrhundert entdeckt wurde, dürfte es kaum möglich sein, das Energiebedürfnis der Menschheit langfristig zu sichern. Große theoretische und experimentelle Bemühungen zielen darauf ab, die bekannten Kräfte zu einer Urkraft zu vereinigen, vielleicht mit ähnlich weitreichenden Konsequenzen wie beim vereinigten Elektromagnetismus. Vielleicht werden aber auch ganz neuartige Kräfte entdeckt. Neue Grundlagenerkenntnisse

6 helfen, die manchmal unentrinnbar erscheinenden und häufig sehr pessimistisch klingenden Zukunftsprognosen zu überwinden. Wie in der Vergangenheit wird die Forschung neue Wege aufzeigen, die es uns ermöglichen werden, durch aktives Handeln unsere Zukunft zu gestalten. Einführung Hamburg, November 1980 Herwig Schopper Eine der typischen menschlichen Eigenschaften ist Neugier. Wir interessieren uns für das, was um uns Am Anfang vorgeht, was in der Welt geschieht, was unsere Mit- ist Neugier menschen tun, und vieles mehr. Die Frage, die sich denkende Menschen seit den Anfängen der Zivilisation wohl am meisten gestellt haben, ist Be-nach dem Aufbau unserer Welt und der uns umgebenden Materie. Denker aller Zeiten haben versucht, durch Nachsinnen über die merkwürdigen Prozesse in der Natur und die Eigenschaften der Stoffe eine Antwort zu finden. In der modernen Zeit werden von öffentlichen und privaten Geldgebern enorme Mittel bereitgestellt, um die Erforschung der Materie voranzutreiben. Ich glaube, daß die Ergebnisse dieser Forschung einen kulturellen Wert an sich darstellen, ebenso wie etwa die Gemälde von Rembrandt oder die Klaviersonaten von Beethoven. Wie jede wirklich schöpferische Tätigkeit verleiht die Erforschung unserer physikalischen Umwelt echte Befriedigung und Freude. Allerdings ist es heute nicht jedem möglich, sich an der Erforschung des Unbekannten in der Natur zu beteiligen. Andererseits nimmt aber jedermann indirekt daran teil, indem er Steuern zahlt und damit gewährleistet, daß Mittel für die immer kostspieliger werdenden Forschungen bereitstehen. Noch nie war der Abstand zwischen den Denkvor- 13