Im Jahr 1900, kurz nach der Entdeckung des Elektrons und der Radioaktivität, bemerkte Lord Kelvin berühmt:
Es gibt in der Physik nichts Neues zu entdecken. Alles, was bleibt, sind immer präzisere Messungen
Er sollte sich als furchtbar falsch erweisen. Die Entdeckung des Atomkerns und dann seiner Bestandteile, des Protons und des Neutrons, revolutionierte unsere Vorstellung davon, woraus die Welt besteht. Unser Verständnis der Welt wandelte sich von der klassischen zur Quantenmechanik, und bis 1933 wurde die Quantenmechanik bei der Beschreibung experimenteller Beobachtungen von Erfolg zu Erfolg geführt. Dies gipfelte in der Dirac-Gleichung, die die Existenz von Antimaterie vorhersagte und kurz darauf durch die Entdeckung des Anti-Elektrons (des Positrons) bestätigt wurde. Die Selbstzufriedenheit der Physiker war jedoch nur von kurzer Dauer. Hinter den Kulissen war nicht alles in Ordnung. Die Quantenmechanik hatte Mühe, eine Erklärung für die Teilchen zu finden, die mit einer Geschwindigkeit von 10.000 pro Minute und m2 aus dem Kosmos auf die Erde herabregneten. Ein wahres Who’s Who der Physik-Koryphäen versuchte, die Natur dieser “kosmischen Strahlungsteilchen” zu verstehen. Zu dieser Zeit waren nur Elektronen, Protonen, Neutronen, Photonen und (noch nicht direkt nachgewiesene) Neutrinos bekannt. Man nahm an, dass es sich bei den kosmischen Strahlungsteilchen, die die Erde erreichten, um Elektronen handelte.
Das Problem bei dieser (falschen) Annahme war, dass die “Elektronen”, die auf die Erde niederregneten, in zwei Varianten auftraten: 1. diejenigen, die leicht von Bleiblöcken absorbiert werden konnten und einen sekundären Schauer von Elektronen, Positronen und Photonen erzeugten, wenn sie mit dem Blei wechselwirkten, und 2. diejenigen, die die Bleiblöcke mit Leichtigkeit durchdrangen.
Zunächst hatte die Quantenmechanik keine Erklärung dafür, warum sich Elektronen auf diese beiden Arten verhalten sollten, aber nach und nach wurde die Theorie modifiziert (vor allem durch Bethe, Carlson, Heitler und Oppenheimer). Sie fanden einen Weg, um Typ 1 (das “Elektron”, das in Blei duschte) zu beschreiben, aber leider hatten sie kein solches Glück, eine Erklärung für die durchdringenden Teilchen des Typs 2 zu finden. Die theoretischen Physiker (die bis dahin so viel Erfolg hatten) waren verzweifelt. Oppenheimer, der immer dafür bekannt war, der Situation ein wenig Ernsthaftigkeit zu verleihen, und der im Allgemeinen sein Glas lieber halb leer sah, schrieb 1934 an seinen Bruder:
Oppenheimer: nicotine fuelled Quantum Mechanics
Wie Sie zweifellos wissen, ist die theoretische Physik – mit den Gespenstern der Neutrinos, der Kopenhagener Überzeugung, dass kosmische Strahlen Protonen sind, Borns absolut unquantifizierbarer Feldtheorie, die Divergenzschwierigkeiten mit dem Positron und die völlige Unmöglichkeit, überhaupt eine rigorose Berechnung durchzuführen – ist auf eine höllische Art und Weise
Schnell wurde die Idee, dass die durchdringenden Teilchen Protonen sind, verworfen und die Physikgemeinschaft stand vor einer harten Wahl: Ein neues Teilchen oder die Akzeptanz, dass die Quantenmechanik hoffnungslos fehlerhaft war. Eine Zeit lang (die man heute gerne übersieht) wich man der Frage aus und sprach sotto voce von der Möglichkeit “roter und grüner Elektronen” – wobei die eine Art absorbiert wird und die andere durchdringt.
Glücklicherweise führte die inspirierte Entwicklung neuer experimenteller Techniken durch Teams in Europa und den USA dazu, dass die experimentellen Beobachtungen der durchdringenden Teilchen präziser wurden. Diese experimentellen Neuerungen (in Verbindung mit neuen Durchbrüchen in der Theorie) ermöglichten eine Interpretation, die zu der unausweichlichen Wahrheit führte: Die eindringenden Teilchen waren so etwas wie ein Elektron, aber wesentlich schwerer.
Das Teilchen erhielt ursprünglich den Namen “Mesotron”. Wie so oft in der Wissenschaft gab es keinen “Heureka-Moment” der Entdeckung, sondern ein allmähliches Heraufdämmern eines neuen Paradigmas durch die Arbeit vieler Menschen, sowohl theoretisch als auch experimentell. Anderson bekam die Lorbeeren (nachdem er bereits einen Nobelpreis für die Beobachtung des Positrons erhalten hatte, war es wahrscheinlich einfacher, sich zu verkaufen…), aber es gab eine beträchtliche Anzahl von Persönlichkeiten – Bethe, Heitler, Rossi, Neddermeyer, Street, Stevenson, Carlson und Oppenheimer – ohne deren Beiträge das “Mesotron” nicht entdeckt worden wäre. Das “Mesotron” wurde schnell in “Myon” umbenannt, und es wurde klar, dass das Myon kein rotes oder grünes Elektron war, denn wenn es nur ein schweres oder ein energiereicheres Elektron wäre, müsste es in ein Elektron und ein Photon zerfallen, was aber nicht beobachtet wurde. Das Myon schien ein eigenständiges Teilchen zu sein, und so war das Myon (nach dem Elektron) das zweite fundamentale Teilchen (d. h. eines, das nicht aus anderen Teilchen zu bestehen scheint), das entdeckt wurde. Seine Entdeckung läutete somit den Beginn der Teilchenphysik als Fachgebiet ein.
Muonen – ich habe nichts gespürt.
Es gibt mehrere hundert Myonen, die jede zweite Minute durch Ihren Kopf fliegen. Zum Glück sind sie wegen ihrer geringen Energie (und hohen Masse) harmlos. Diese Myonen stammen aus den Kollisionen von kosmischen Strahlen (hauptsächlich Protonen, die von Sternen ausgespuckt werden) mit den Atomen in unserer oberen Atmosphäre. Nach ihrer Entdeckung wurde beobachtet, dass die Anzahl dieser Myonen abnahm, je näher man der Erde kam, und die natürliche (und richtige) Schlussfolgerung war, dass es sich nicht um stabile Teilchen wie das Elektron handelte, sondern um eine Art Eintagsfliege, die in etwa 2 Millionstel Sekunden zu anderen, bekannteren Teilchen (Elektronen und Neutrinos) zerfiel. Zu diesem Zeitpunkt war die Masse des Elektrons bekannt, und man nahm an, dass Neutrinos masselos sind. Wenn man sich also die Flugbahn und die Energie des Elektrons aus dem Myon-Zerfall ansieht (oder die Zeit misst, die das Myon für den Zerfall braucht), wird klar, dass das Myon ein ziemlicher Brocken ist. Es wog etwa das 200-fache der Masse des Elektrons.
Das Myon ist kein großer Impresario und hat ein eher begrenztes Repertoire, das sich vielleicht für einen flüchtigen Auftritt bei X-Factor eignet. In den letzten 75 Jahren haben wir es nur bei zwei Dingen beobachtet: es wechselwirkt und erzeugt ein Neutrino oder es zerfällt und erzeugt ein Elektron und zwei Neutrinos. Aber wir glauben, dass das Myon das letzte Lachen haben wird und mehr ist als ein Zwei-Trick-Pony. Das Myon hat etwas in petto, das uns helfen wird, die Physik auf Energieskalen weit jenseits des LHC zu verstehen. Vor allem glauben wir, dass es eine neue Art von fundamentaler Wechselwirkung (zusätzlich zu den uns bekannten Wechselwirkungen – der elektromagnetischen, der Gravitations- und der schwachen und starken Kernwechselwirkung) enthüllen wird, die helfen kann, eines der am längsten bestehenden Probleme der Physik zu erklären: Wie wurde der Großteil der Antimaterie, die beim Urknall entstand, am Anfang des Universums in der Zeit, die man braucht, um sich eine Tasse Tee zu kochen, aufgesaugt (oder heutzutage vermutlich aufgesaugt)?
Wir planen, einen Myonenstrahl von beispielloser Intensität zu erzeugen, um diese neue Art der Wechselwirkung zu beobachten (die ich in Zukunft beschreiben werde). Nach einer gewissen Flaute ist es in der Tat eine aufregende Zeit, ein Myon zu sein, und ihre durchdringenden und magnetischen Eigenschaften werden für eine Reihe von Anwendungen außerhalb der Teilchenphysik ausgenutzt. In den 1960er Jahren wurden sie eingesetzt, um die Pyramiden zu durchleuchten und nach versteckten Kammern zu suchen, und die jüngsten Fortschritte bei den Detektoren für geladene Teilchen haben die Möglichkeit eröffnet, Myonen mit kosmischer Strahlung zu nutzen, um sehr große Volumina (Seecontainer, Frachtfahrzeuge, Bahnhöfe usw.) präzise abzubilden und Bomben, spaltbares Material oder Dinge, die in der Nacht knallen, aufzuspüren. Mit Hilfe von Myonen werden die Eigenschaften neuer Verbundwerkstoffe untersucht, die das Potenzial haben, neuartige Halbleiter für die Elektronikindustrie oder Raumtemperatur-Supraleiter mit einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten zu liefern, von schwebenden Zügen (was bei der Nordbahnlinie heikel sein könnte) bis hin zur verlustfreien Stromübertragung. Kürzlich wurde ein Strahl von Myonen, der in der britischen ISIS-Anlage erzeugt wurde, zur Beobachtung des Phänomens der “Magnetizität” in “Spin-Eis” verwendet, was möglicherweise der erste Schritt zu einer magnetischen Version der Elektronik ist.
Das Myon ist ein Langweiler, aber seine 15 Minuten Ruhm stehen kurz bevor.
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