Von 1900 bis 1964

Geschichte der Teilchenphysik - Von 1900 bis 1964

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren die Wissenschaftler der Meinung, dass sie die meisten fundamentalen Prinzipien der Natur verstanden haben. Atome stellte man sich als kleine feste Körper vor. Die Leute vertrauten Newtons Bewegungsgleichungen und die meisten physikalischen Probleme schienen gelöst zu sein. Jedoch beginnend mit Einsteins Relativitätstheorie, die die Newtonsche Mechanik ersetzte, erkannten die Wissenschaftler schrittweise, dass ihr Wissen weit von jeglicher Vollständigkeit entfernt war. Das spezielle Interesse galt dem wachsenden Bereich der Quantenmechanik, die die Grundlagen der Physik vollständig veränderte.

Entdeckte Teilchen zwischen 1898 - 1964:

1900 Max Planck führte die Quantisierung elektromagnetischer Strahlung ein. Dies war die Geburt der Quantentheorie.

1905 Albert Einstein, einer der wenigen Physiker, die Plancks Ideen ernst nahmen, führte den Begriff des Photons als des Quants der elektromagnetischen Strahlung ein.
Einstein veröffentlichte die spezielle Relativitätstheorie. Sie erweiterte die Newtonsche Mechanik und ist zusammen mit der aus ihr folgenden Äquivalenz von Masse und Energie die Basis für die Theorie der Elementarteilchen.

1909 Hans Geiger und Ernest Marsden, unter der Anleitung von Ernest Rutherford, streuten Alpha-Teilchen an einer Gold-Folie und beobachteten unerwartet große Streuwinkel (die Abbildung rechts zeigt die Messapparatur). Sie vermuteten daraufhin, dass Atome sehr dichte, kleine, positiv geladene Kerne besitzen.

1911 Ernest Rutherford schloss endgültig auf einen kompakten Atomkern als Ergebnis der Streuexperimente, die von Hans Geiger and Ernest Marsden durchgeführt wurden.

1912 Albert Einstein entwickelt die allgemeine Relativitätstheorie. Sie verknüpft die Gravitation mit der Struktur von Raum und Zeit.

1913 Niels Bohr stellt sein Atommodell vor, den ersten erfolgreichen Versuch, den Quantenbegriff auf den Atombau anzuwenden.

1919 Ernest Rutherford gelang der erste Nachweis für die Existenz des Protons.

1921 James Chadwick und E.S. Bieler folgerten, dass der Atomkern von einer unbekannten sehr "starken" Kraft zusammengehalten wird.

1923 Arthur Compton entdeckte das quantenhafte Verhalten der Röntgenstrahlung. Dies war eine weitere Bestätigung der Teilcheneigenschaft dieser extrem kurzwelligen Strahlung.

1924 Louis de Broglie schlug die Welleneigenschaft von Teilchen vor.

1925 Wolfgang Pauli formulierte das "Pauli-Prinzip" (oder "Pauli-Verbot") für Elektronen im Atom.

1926 - 1928 Bohr, Born, Dirac, Heisenberg, Pauli und Schrödinger entwickeln und deuten die Quantenmechanik. Dies markiert den Beginn der Entwicklung eines neuen physikalischen Weltbildes.

1926 Erwin Schrödinger entwickelte die Wellenmechanik mit der nach ihm benannten Wellengleichung, die das Verhalten von Bosonen-Systemen beschreibt. Max Born lieferte die Wahrscheinlichkeitsinterpretation der Quantenmechanik.

1927 Bestimmte Stoffe, die Elektronen emittieren (Beta-minus-Zerfall), wurden beobachtet. Da man wusste, dass Atome und Kerne diskrete Energie-Spektren besitzen, war es schwierig zu verstehen, dass die emittierten Elektronen ein kontinuierliches Spektrum besitzen können (siehe dazu auch Text zu 1930)

1927 Werner Heisenberg entwickelte zusammen mit Max Born und Pascal Jordan die Matrizenmechanik. Er formulierte die Unschärferelation.

1928 Paul Dirac verband die Quantenmechanik mit der speziellen Relativitätstheorie, um das Elektron zu beschreiben.

1930 Die Quantenmechantik und die spezielle Relativitätstheorie hatten sich durchgesetzt. Es gab drei fundamentale Teilchen: Protonen, Elektronen und Photonen. Max Born sagte, nachdem er Diracs Gleichung kennengelernt hatte, "Die Physik, so wie wir sie bisher kannten, wird es in 6 Monaten nicht mehr geben."

1930 Wolfgang Pauli schlug das Neutrino zur Erklärung des kontinuierlichen Energiespektrums der Elektronen beim Beta-Zerfall vor.

1931 Paul Dirac erkannte, dass die positiv geladenen Teilchen, die seine Gleichung forderte, noch unbekannt sein mussten. Er nannte sie Positronen. Sie mussten exakt wie Elektronen sein, nur positiv geladen. Das war das erste Beispiel für ein Antiteilchen.

1932 James Chadwick entdeckte das Neutron. Die Mechanismen der Kernbindung und des Kernzerfalls wurden Forschungsschwerpunkte. Dies markiert den Beginn der Kernphysik.

1933-34 Enrico Fermi schuf eine Theorie des Beta-Zerfalls und der schwachen Wechselwirkung. Sie ist die erste Theorie, die explizit Neutrinos und die Flavour-Änderung von Teilchen einbezieht.

1933-34 Hideki Yukawa kombinierte Relativität und Quantentheorie um die Wechselwirkung innerhalb des Atomkerns durch den Austausch neuer Teilchen (p-Mesonen) zwischen Protonen und Neutronen zu beschreiben. Aus der Größe des Kerns schloss Yukawa, dass die vermuteten Mesonen eine etwa 200-mal größere Masse als die Elektronen besitzen mussten. Dies war der Beginn der Mesonen-Theorie der Kernkräfte.

1937 Ein Teilchen, mit der 200-fachen Elektronenmasse wurde in der Höhenstrahlung gefunden. Es wurde von den Physikern zuerst für das von Yukawa postulierte p-Meson gehalten, später stellte man aber fest, dass es sich um das Müon handelte.

1946-47 Physiker erkannten, dass das in der Höhenstrahlung gefundene Teilchen nicht Yukawas p-Meson ist, sondern ein neues Teilchen, das sie Müon nannten, das erste Teilchen der II. Generation von Elementarteilchen. Diese Entdeckung war völlig unerwartet, so dass I.I. Rabi die Entdeckung mit den Worten "who ordered that?" ("wer hat das bestellt?") kommentierte. Der Begriff "Lepton" wurde für Teilchen eingeführt, die nicht stark wechselwirken.

1947 Entdeckung des p-Mesons in der kosmischen Strahlung.

1947 Überwindung von Divergenzproblemen in der Quantentheorie der elektromagnetischen Wechselwirkung (QED). Einführung der Feynman-Diagramme. Berechnung des Lamb-shifts.

1948 Im Berkley-Synchro-Zyklotron wurde zum ersten Mal ein p-Meson künstlich erzeugt.

1949 Entdeckung des K⁺ - Mesons über seinen Zerfall

1950 Das neutrale p-Meson wurde entdeckt.

1951 Zwei neue Teilchen wurden in der Höhenstrahlung entdeckt. Man entdeckte sie durch ihre V-förmige Spur, die sie in Detektoren hinterließen und rekonstruierte daraus, dass ein elektrisch neutrales Teilchen in zwei geladene Teilchen zerfallen sein musste. Die Teilchen wurden L⁰ und K⁰genannt.

1952 Entdeckung der ersten Nukleonresonanz D(1232).

1952 Donald Glaser erfand die Blasenkammer. Das Brookhaven Cosmotron, ein 1,3 GeV Beschleuniger nahm seinen Betrieb auf.

1953 Gefördert durch die Blasenkammertechnik werden in den folgenden Jahren zahlreiche neue instabile Teilchen ("Resonanzen") entdeckt.

1953 Einführung der Strangeness (Seltsamkeit) durch Gell-Mann und Nishijima, um gewisse Eigenschaften der neu entdeckten Teilchen zu erklären.

1953 - 57 Streuexperimente von Elektronen an Protonen enthüllten eine ausgedehnte Ladungsstruktur innerhalb des Protons von etwa 10^-15 m Größe. Die Beschreibung der elektromagnetischen Struktur von Proton und Neutron weist auf eine innere Struktur dieser Teilchen hin. Trotzdem wurden sie auch weiterhin als elementare Teilchen betrachtet.

1954 C.N. Yang und Robert Mills entwickeln eine neue Klasse von Theorien, die soganannten "Eichtheorien". Obwohl es zu dieser Zeit noch nicht klar war, schufen diese Theorien die Basis des heutigen Standard-Modells.

1957-59 Julian Schwinger, Sidney Bludman und Sheldon Glashow schlugen in verschiedenen Abhandlungen vor, dass die schwache Wechselwirkung durch geladene schwere Bosonen (später W⁺ und W^- genannt) vermittelt wird. Yukawa hatte schon 20 Jahre zuvor den Austausch von Bosonen diskutiert, aber dann das p-Meson als Vermittler der starken Wechselwirkung eingeführt.

1961 Einführung eines Klassifizierungsschemas für die Vielzahl der entdeckten Elementarteilchen anhand der mathematischen SU(3)-Gruppe. Man nennt diese Einordnung in sich ergebenden "Mustern" auch den "Achtfachen Weg". Dies liefert die mathematische Grundlage für das Quarkmodell. Voraussage des W^- - Baryons mit Strangeness S = -3.

1962 Ein Experiment in Brookhaven zeigt, dass es zwei verschiedene Neutrino-Arten gibt, das Elektron- und Müon-Neutrino. Dies wurde schon vorher aufgrund theoretischer Überlegungen vermutet.

1964 Entdeckung des W^- in einem Blasenkammerexperiment in Brookhaven. Dies ist eine wesentliche Stütze der Symmetrieüberlegungen, die zum Quarkmodell führten.