Von 1964 bis heute

Geschichte der Teilchenphysik - Von 1964 bis heute

Ab Mitte der 60er Jahre erkannten die Physiker, dass ihr bisheriges Verständnis, dass alle Materie aus elementaren Protonen, Neutronen und Elektronen besteht, nicht ausreichend ist, um die zahllosen Teilchen zu erklären, die bisher entdeckt worden waren. Die Quark-Theorie von M. Gell-Mann und G. Zweig löste dieses

Problem. Seit nunmehr über 30 Jahren ist schrittweise eine Theorie entstanden, die heute als "Standard-Modell der Teilchen und Wechselwirkungen" bezeichnet wird und durch experimentelle Bestätigungen in neuen Teilchenbeschleunigern immer größere Akzeptanz findet.

Entdeckte Teilchen von 1964 bis heute (Quarks sind durch grüne Pfeile gekennzeichnet):

1964	Murray Gell-Mann und George Zweig schlugen Quarks als elementare Bausteine von Mesonen und Baryonen vor. Sie führten drei Sorten von Quarks ein, up, down und strange (u, d, s) mit dem Spin 1/2 und den elektrischen Ladungen +2/3 (u), -1/3 (d) und -1/3 (s) (es hat sich herausgestellt, dass diese Theorie noch sehr unzureichend war).
1964	Aufgrund der bestimmten Form der Anordnung der Leptonen wurde in mehreren Abhandlungen die Existenz eines vierten Quarks neuen Flavours angesprochen, um bei den Quarks das gleiche Muster wie bei den Leptonen (damals vier Stück) zu erhalten. Nur sehr wenige Physiker zogen diese mögliche Existenz zu dieser Zeit ernsthaft in Erwägung. Sheldon Glashow und James Bjorken postulierten ein viertes Quark und prägten dafür den Begriff "charm" (c; el. Ladung -1/3), weil der Glaube an seine Existenz ein ausgesprochen "charmanter" Gedanke war.
1965	O.W. Greenberg, M.Y. Han und Yoichiro Nambu führten die Quark-Eigenschaft der Farbladung (kurz: Farbe) ein. Alle beobachteten Hadronen sind farbneutral bzw. weiß da sich die Quarks in ihnen zu farbneutralen Kombinationen zusammenfügen.
...1966...	Die Einführung des Quarkmodells findet nur sehr zögerlich statt, weil Quarks nicht beobachtet werden konnten. Sie gelten zunächst eher als ein mathematisches Erklärungsgerüst für die Systematik der Teilchen.
1967	Steven Weinberg und Abdus Salam fanden unabhängig voneinander eine Theorie, die die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung zur elektroschwachen Wechselwirkung vereinigt. Ihre Theorie forderte die Existenz eines neutralen, schwach wechselwirkenden Austauschbosons (heute Z⁰ genannt), das die schwache Wechselwirkung vermittelt und zu dieser Zeit noch unentdeckt war. Außerdem erfordert die Theorie ein zusätzliches sehr schweres Boson, das sogenannte Higgs-Boson, das bis heute (1998) noch nicht gefunden wurde.
1968-69	Am Stanford Linear Accelerator (SLAC), in einem Experiment, bei dem Elektronen an Protonen gestreut wurden, schienen die Elektronen an kleinen harten Kernen innerhalb des Protons abzuprallen. James Bjorken und Richard P. Feynman interpretierten diese Daten im Sinne eines Modells von im Proton enthaltenen Teilchen. Sie benutzten dabei nicht den Begriff Quark, sondern nannten die Bestandteile noch Partonen. Es war aber bald klar, dass dieses Experiment ein deutlicher Beweis für die Existenz von Quarks im Proton war.
1970	Sheldon Glashow, John Iliopoulos und Luciano Maiani erkannten die Bedeutung eines vierten Quarks im Zusammenhang mit dem Standard-Modell. Ein viertes Quark erlaubt eine Theorie, die eine Flavour-erhaltende, durch Z⁰vermittelte schwache Wechselwirkung zulässt.
1973	Entdeckung der neutralen schwachen Ströme (schwache Wechselwirkung ohne Ladungsaustausch) in einem Neutrinoexperiment am CERN. Diese Wechselwirkung wird durch das Z⁰ - Boson vermittelt.
1973	Eine Quantenfeldtheorie für die starke Wechselwirkung wurde formuliert. Diese Theorie über Quarks und Gluonen (heute ein Teil des Standard-Modells) ist in seiner Struktur der Quantenelektrodynamik (QED) sehr ähnlich, da die starke Wechselwirkung aber mit Farbladungen verbunden ist, wurde sie Quantenchromodynamik (QCD) genannt. Quarks sind Teilchen, die Farbladung tragen. Gluonen sind die masselosen Quanten des Felds der starken Wechselwirkung.
1973	David Politzer, David Gross und Frank Wilczek entdeckten, dass die Farb-Theorie der starken Wechselwirkung eine besondere Eigenschaft hat, die heute als "asymptotische Freiheit" bezeichnet wird. Diese Eigenschaft ist für die Beschreibung der Messergebnisse von 1968-69 (Bestandteile des Protons) sehr wichtig, weil sie erklärt, warum die Kräfte zwischen Quarks bei großen Impulsübertragungen klein sind.
1974	In einer zusammenfassenden Besprechung für eine Konferenz präsentierte John Iliopoulos zum ersten Mal in einem einzelnen Artikel das aktuelle Modell der Teilchenphysik, heute Standard-Modell genannt.
1974 (Nov.)	Burton Richter und Samuel Ting, beide leiteten unabhängige Experimente, verkündeten am selben Tag die Entdeckung des gleichen neuen Teilchens. Ting und seine Gruppe in Brookhaven nannten das Teilchen das "J-Teilchen", Richter und seine Gruppe nannten es "Y". Da die Entdeckungen völlig gleichwertig waren, wurde das Teilchen J/Y genannt. Das J/Y-Teilchen ist ein charm/Anticharm-Meson (das sogenannte Charmonium). Dies markiert die experimentelle Entdeckung des c-Quarks.
1976	Entdeckung des D⁰-Mesons in einem Speicherringexperiment am SLAC. Es ist die Kombination eines c-Quarks mit einem leichten Quark. Da die theoretische Vorhersage des D⁰erstaunlich gut mit den Ergebnissen der Messungen übereinstimmte war diese Entdeckung eine weitere Stütze des Quark-Modells.
1976	Das Tauon (t-Lepton) wurde in einem Speicherringexperiment am SLAC entdeckt. Da dieses Lepton das erste gefundene Teilchen der III. Generation der Materie war, kam es völlig unerwartet.
1977	Leon Lederman und seine Mitarbeiter am Fermilab entdeckten noch ein weiteres Quark ("bottom"-Quark b) mit Ladung -1/3 in einem gebundenen Zustand Y aus b und Anti-b. Da die Physiker nun auch für die III. Generation der Materie ein zweites Quark erwarteten, gab diese Entdeckung den Anstoß für die Suche nach dem sechsten Quark, dem "top"-Quark.
1979	Der experimentelle Beweis für die Existenz von Gluonen, den Quanten der starken Wechselwirkung, wurde am PETRA-Speicherring bei DESY in Hamburg erbracht.
1983	Die Austauschbosonen W^± und Z⁰, die von der Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung gefordert werden, wurden in zwei Experimenten am CERN Proton-Antiproton-collider gefunden, in dem Protonen und Antiprotonen in einem gemeinsamen Ring aufeinanderprallen.
1989	Experimente, die an SLAC und CERN durchgeführt wurden, geben einen starken Hinweis darauf, dass es nur drei Generationen von Elementarteilchen gibt. Dies ergibt sich daraus, dass die Z⁰-Lebensdauer nur mit der Existenz von genau drei extrem leichten oder masselosen Neutrinos vereinbar ist.
1995	Nach 18-jähriger Suche an vielen Beschleunigereinrichtungen, entdeckte man endlich am Fermilab das top-Quark mit der unerwartet hohen Masse von 175 GeV/c². Niemand versteht, dass sich die Masse so stark von der der anderen fünf Quarks unterscheidet.