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WICHTIGSTEN WISSENSCHAFTLICHEN ENTDECKUNGEN
Klassifizierung von Elementarteilchen. Geschichte und Wesen der wissenschaftlichen Entdeckung
Verzeichnis / Die wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen „Wie viele Elementarteilchen sind bisher entdeckt worden?“, fragt Regge in seinem Physikbuch, „nach der Dicke der kurzen Nachschlagewerke zu urteilen, die ihre Eigenschaften beschreiben und die unter Physikern im Umlauf sind, dann mehrere Hundert.“ Viele dieser Teilchen werden gesammelt in Familien, die den Familien der Nukleonen oder Pionen ähnlich sind.Diese Familien spielen eine ähnliche Rolle wie das Periodensystem von Mendeleev, das in der Chemie so nützlich ist.Aber gerade diese Ähnlichkeit legt nahe, dass wir uns mit der Klassifizierung atomähnlicherObjekte beschäftigen , und überhaupt nicht elementar So oder so, aber die Suche nach wirklich elementaren Bestandteilen der Materie hatte bereits wieder begonnen, und 1963 war klar geworden, dass Teilchen in größere Familien eingeteilt werden sollten. Antike griechische Philosophen schrieben Atomen außergewöhnlich regelmäßige und symmetrische Formen zu. Obwohl reale Atome davon sehr weit entfernt sind, bleibt die Idee, dass das Konzept der Symmetrie eine wichtige Rolle in der Physik spielen sollte. Die Klassifizierung von Partikeln nach Familien spiegelt nur die Existenz einer Art Symmetrie in der Natur wider ... " Die Physik der Elementarteilchen befand sich in den fünfziger Jahren im Stadium der Entstehung. Die Hauptmittel der experimentellen Forschung in diesem Zweig der Physik waren Beschleuniger, die einen Teilchenstrahl auf ein stationäres Ziel "schossen": Wenn die einfallenden Teilchen mit dem Ziel kollidierten, wurden neue Teilchen geboren. Mit Hilfe von Beschleunigern gelang es Experimentatoren, neben den bereits bekannten Protonen, Neutronen und Elektronen mehrere neue Arten von Elementarteilchen zu erhalten. Theoretische Physiker versuchten, ein Schema zu finden, das es ermöglichen würde, alle neuen Teilchen zu klassifizieren. Wissenschaftler haben Teilchen mit ungewöhnlichem (seltsamem) Verhalten entdeckt. Die Geburtsrate solcher Teilchen infolge bestimmter Kollisionen deutete darauf hin, dass ihr Verhalten durch die starke Wechselwirkung bestimmt wird, die durch Geschwindigkeit gekennzeichnet ist. Starke, schwache, elektromagnetische und gravitative Wechselwirkungen bilden vier grundlegende Wechselwirkungen, die allen Phänomenen zugrunde liegen. Gleichzeitig zerfielen die seltsamen Teilchen ungewöhnlich lange, was unmöglich wäre, wenn ihr Verhalten von der starken Wechselwirkung bestimmt würde. Die Zerfallsrate der seltsamen Teilchen schien darauf hinzudeuten, dass dieser Prozess von einer viel schwächeren Wechselwirkung bestimmt wurde. Auf die Lösung dieser schwierigsten Aufgabe konzentrierte er seine Aufmerksamkeit Gell-Mann. Murray Gell-Mann wurde am 15. September 1929 in New York als jüngster Sohn der aus Österreich ausgewanderten Arthur und Pauline (Reichstein) Gell-Mann geboren. Im Alter von fünfzehn trat Murry in die Yale University ein. 1948 schloss er sein Studium mit dem Bachelor of Science ab. Die folgenden Jahre verbrachte er als Doktorand am Massachusetts Institute of Technology. Hier promovierte Gell-Mann 1951 in Physik. Nach einem einjährigen Aufenthalt am Princeton Institute for Basic Research (New Jersey) nahm Gell-Mann eine Tätigkeit an der University of Chicago mit auf Enrico Fermi, zunächst als Dozent (1952–1953), dann als Assistenzprofessor (1953–1954) und als außerordentlicher Professor (1954–1955). 1955 wurde Gell-Mann außerordentlicher Professor an der Fakultät des Caltech. Als Ausgangspunkt seiner Konstruktionen wählte er das Konzept der sogenannten Ladungsunabhängigkeit. Sein Wesen liegt in einer bestimmten Gruppierung von Partikeln, die ihre Ähnlichkeit betont. Obwohl sich Proton und Neutron beispielsweise in der elektrischen Ladung unterscheiden (das Proton hat eine Ladung von + 1, das Neutron - 0), sind sie im Übrigen identisch. Daher können sie als zwei Arten derselben Art von Teilchen betrachtet werden, die als Nukleonen bezeichnet werden und eine durchschnittliche Ladung oder einen Ladungsschwerpunkt von 1/2 haben. Es ist üblich zu sagen, dass ein Proton und ein Neutron ein Dublett bilden. Andere Teilchen können auch in ähnlichen Dubletts oder in Gruppen von drei Teilchen enthalten sein, die als Tripletts bezeichnet werden, oder in „Gruppen“, die nur aus einem Teilchen bestehen und als Singuletts bezeichnet werden. Der allgemeine Name für eine Gruppe, die aus beliebig vielen Teilchen besteht, ist Multiplett. Alle Versuche, seltsame Teilchen auf ähnliche Weise zu gruppieren, blieben erfolglos. Bei der Entwicklung seines Schemas für ihre Gruppierung entdeckte Gell-Mann, dass sich die durchschnittliche Ladung ihrer Multipletts von der durchschnittlichen Ladung der Nukleonen unterscheidet. Er kam zu dem Schluss, dass dieser Unterschied eine grundlegende Eigenschaft seltsamer Teilchen sein könnte, und schlug vor, eine neue Quanteneigenschaft namens Strangeness einzuführen. Aus algebraischen Gründen ist die Seltsamkeit eines Teilchens gleich der doppelten Differenz zwischen der durchschnittlichen Multiplettladung und der durchschnittlichen Nukleonenladung + 1/2. Gell-Mann zeigte, dass Fremdheit in allen Reaktionen erhalten bleibt, an denen die starke Kraft beteiligt ist. Mit anderen Worten, die Gesamtfremdheit aller Teilchen vor der starken Wechselwirkung muss absolut gleich der Gesamtfremdheit aller Teilchen nach der Wechselwirkung sein. Die Fremdheitserhaltung erklärt, warum der Zerfall solcher Teilchen nicht durch die starke Wechselwirkung bestimmt werden kann. Wenn einige andere nicht-seltsame Teilchen kollidieren, werden paarweise seltsame Teilchen erzeugt. In diesem Fall kompensiert die Fremdheit eines Teilchens die Fremdheit des anderen. Wenn zum Beispiel ein Partikel in einem Paar die Seltsamkeit +1 hat, dann ist die Seltsamkeit des anderen -1. Deshalb ist die Gesamtfremdheit von nicht-fremden Teilchen sowohl vor als auch nach der Kollision gleich 0. Nach der Geburt fliegen fremde Teilchen auseinander. Ein isoliertes fremdes Teilchen kann aufgrund der starken Wechselwirkung nicht zerfallen, wenn seine Zerfallsprodukte Teilchen mit null Fremdheit sein müssen, da ein solcher Zerfall die Erhaltung der Fremdheit verletzen würde. Gell-Mann zeigte, dass auch die elektromagnetische Kraft (deren charakteristische Zeit zwischen den Zeiten der starken und schwachen Wechselwirkung liegt) Fremdheit behält. So überleben seltsame Teilchen, nachdem sie geboren wurden, bis zum Zerfall, der durch die schwache Wechselwirkung bestimmt wird, die die Fremdheit nicht bewahrt. Der Wissenschaftler veröffentlichte seine Ideen 1953. 1961 entdeckte Gell-Mann, dass das System von Multipletts, das er zur Beschreibung seltsamer Teilchen vorschlug, in ein viel allgemeineres theoretisches Schema aufgenommen werden konnte, das es ihm ermöglichte, alle stark wechselwirkenden Teilchen in "Familien" zu gruppieren. Der Wissenschaftler nannte sein Schema den achtfachen Pfad (in Analogie zu den acht Attributen eines rechtschaffenen Lebens im Buddhismus), da einige Partikel in Familien mit jeweils acht Mitgliedern gruppiert wurden. Das von ihm vorgeschlagene Partikelklassifizierungsschema ist auch als Oktalsymmetrie bekannt. Bald schlug der israelische Physiker Yuval Neeman unabhängig von Gell-Man eine ähnliche Klassifizierung von Teilchen vor. Der achtfache Pfad des amerikanischen Wissenschaftlers wird oft mit Mendelejews Periodensystem der chemischen Elemente verglichen, in dem chemische Elemente mit ähnlichen Eigenschaften in Familien eingeteilt werden. Wie Mendeleev, der einige leere Zellen im Periodensystem hinterließ, um die Eigenschaften noch unbekannter Elemente vorherzusagen, ließ Gell-Mann in einigen Familien von Teilchen freie Plätze und schlug vor, welche Teilchen mit den richtigen Eigenschaften die „Leerräume“ füllen sollten. Seine Theorie wurde 1964 nach der Entdeckung eines dieser Teilchen teilweise bestätigt. Als Gastprofessor am Massachusetts Institute of Technology im Jahr 1963 entdeckte Gell-Mann, dass die detaillierte Struktur des achtfachen Pfades erklärt werden kann, indem man annimmt, dass jedes an der starken Wechselwirkung beteiligte Teilchen aus einem Triplett von Teilchen mit einem Bruchteil der Ladung besteht elektrische Ladung des Protons. Dieselbe Entdeckung machte der amerikanische Physiker George Zweig, der am Europäischen Zentrum für Kernforschung arbeitete. Gell-Mann nannte fraktioniert geladene Teilchen Quarks und entlehnte das Wort aus James Joyces Finnegans Wake („Drei Quarks für Mr. Mark!“). Quarks können eine Ladung von +2/3 oder -1/3 haben. Es gibt auch Antiquarks mit Ladungen von -2/3 oder +1/3. Ein Neutron ohne elektrische Ladung besteht aus einem Quark mit einer Ladung von +2/3 und zwei Quarks mit einer Ladung von -1/3 Ein Proton mit einer Ladung von +1 besteht aus zwei Quarks mit einer Ladung von +2/3 und einem Quark mit einer Ladung von -1 /3. Quarks mit gleicher Ladung können sich in anderen Eigenschaften unterscheiden, was bedeutet, dass es mehrere Arten von Quarks mit gleicher Ladung gibt. Somit ermöglichen verschiedene Kombinationen von Quarks die Beschreibung aller stark wechselwirkenden Teilchen. Gell-Mann erhielt 1969 den Nobelpreis für Physik „für Entdeckungen im Zusammenhang mit der Klassifizierung von Elementarteilchen und ihren Wechselwirkungen“. Ivar Waller von der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften bemerkte bei der Preisverleihung, dass Gell-Mann "seit mehr als einem Jahrzehnt als führender Wissenschaftler auf dem Gebiet der Elementarteilchentheorie gilt". Die von ihm vorgeschlagenen Methoden gehören laut Waller „zu den mächtigsten Mitteln der weiteren Forschung in der Elementarteilchenphysik“. Autor: Samin D. K.
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