In jedem Moment strömen subatomare Partikel in unfassbarer Zahl durch Ihren Körper. Jede Sekunde passieren etwa 100 Milliarden Neutrinos von der Sonne Ihren Daumennagel, und Sie werden in einen Regen von Myonen gebadet, die in der Erdatmosphäre geboren wurden. Selbst bescheidene Bananen emittieren Positronen, das Antimaterie-Gegenstück des Elektrons. Es existiert ein ganzes Universum von Partikeln, und wir sind uns meistens nicht bewusst, hauptsächlich weil diese Partikel unsichtbar sind.
Als ich als Teenager zum ersten Mal erfuhr, dass diese unermessliche Welt der Partikel existiert, konnte ich nicht aufhören, darüber nachzudenken. Und als ich darüber nachdachte, konnte ich kaum atmen. Ich war es, um eine Metapher des Schriftstellers David Foster Wallace zu stehlen, einem Fisch, der gerade erst bemerkt hat, dass er im Wasser schwimmt. Die Enthüllung, dass wir in einer Teilchensuppe schmoren, ist der Grund, warum ich Physik studierte und schließlich darüber schrieb.
Um die Materie wirklich auf ihrer grundlegendsten Ebene zu ergründen, müssen die Menschen in der Lage sein, diese verborgene Welt zu visualisieren. Hier kommen Teilchendetektoren ins Spiel. Sie entdecken Spuren der kleinsten Bestandteile des Universums und machen diese immateriellen Konzepte real. Darüber hinaus offenbaren Partikeldetektoren Schönheit: Partikel hinterlassen anmutige Blasenspiralen, Lichtblitze und knackige Funkenlinien.
Als Physikstudent verbrachte ich Stunden damit, diese atemberaubenden Bilder in meinen Lehrbüchern zu untersuchen. In der Graduiertenschule baute ich Teilchendetektoren und machte meine eigenen Bilder von Teilchen, die sich durch unsere Welt bahnten.
Wenn sich ein Partikel durch ein Material bewegt, lässt es Semmelbrösel fallen, die seinen Weg verraten können. Diese Semmelbrösel gibt es in verschiedenen Formen: Licht, Hitze oder elektrische Ladung. „Im Grunde sucht jeder existierende Teilchendetektor nach einem oder mehreren dieser drei Dinge“, sagt Teilchenphysikerin Jennifer Raaf vom Fermilab in Batavia, Illinois. Teilchendetektoren übersetzen die Brotkrumen in Signale, die aufgezeichnet und analysiert werden können. Solche Signale halfen, die Physik des Standardmodells aufzudecken, eine krönende Errungenschaft der Wissenschaft, die die Teilchen und Kräfte der Natur beschreibt. Sie werden wahrscheinlich auch eine Schlüsselrolle bei der Entdeckung der Physik jenseits des Standardmodells spielen.
Im Laufe der Zeit haben sich die Technologien zum Nachweis von Partikeln erheblich verbessert. Hier sind ein paar Arten von Detektoren, die das Unsichtbare sichtbar gemacht haben.
Durch eine Wolke
Eine der ersten Möglichkeiten, wie Wissenschaftler Partikelspuren visualisierten, waren Nebelkammern. Nebelkammern wurden vor mehr als einem Jahrhundert entwickelt und sind mit einem Gas gefüllt – oft einem Alkoholdampf – das kurz davor steht, zu einer Flüssigkeit zu kondensieren. Wenn ein geladenes Teilchen die Kammer passiert, entzieht es der Luft darin Elektronen und erzeugt eine elektrische Ladung, die die Kondensation einleitet. Entlang des Partikelpfads bildet sich eine dünne Linie wie ein kleiner Kondensstreifen.
Wissenschaftler umgeben Nebelkammern und andere Detektoren oft mit einem starken Magnetfeld, das die Bahnen der Partikel in Kurven oder Spiralen biegt. Negativ geladene Teilchen krümmen sich in eine Richtung, positive Teilchen gehen in die entgegengesetzte Richtung. Weitere Details charakterisieren das Teilchen weiter: Der Krümmungsbetrag gibt zum Beispiel den Impuls eines Teilchens an.
Nebelkammern enthüllten in den 1930er Jahren eine Vielzahl bisher unbekannter Teilchen, darunter das Positron und das Myon, ein schwerer Verwandter des Elektrons. Diese Partikel waren meistens unerwartet. Die Tatsache, dass es neben Elektronen und Protonen auch Teilchen gab, war den Physikern damals noch kaum bewusst.
Nebelkammern sind so einfach, dass Sie sie zu Hause mit Alkohol und Trockeneis herstellen können.
Blasenpfade
In den 1950er Jahren drehte sich alles um Blasenkammern.
Wenn geladene Teilchen in einer Blasenkammer durch Flüssigkeit gehen, hinterlassen sie winzige Dampfblasen, wie schillernde Kugeln, die einem Seifenblasenstab nachziehen. Obwohl die Kammern typischerweise mit flüssigem Wasserstoff gefüllt sind, können verschiedene Flüssigkeiten verwendet werden; ein früher Prototyp verwendete sogar Bier. Blasenkammern könnten größer als Nebelkammern gemacht werden und schärfere Spuren erzeugen, wodurch mehr Partikel genauer beobachtet werden können.
Im selben Jahrzehnt traten Teilchenbeschleuniger in den Vordergrund. Diese Beschleuniger erzeugen energiereiche Teilchenstrahlen, die Wissenschaftler auf andere Teilchen oder auf Ziele treffen können. Diese Kollisionen wirbeln eine Flut neuer Teilchen auf. Wissenschaftler schickten diese Strahlen in Blasenkammern, um zu beobachten, was passierte.
Die entstandenen Bilder waren nicht nur wissenschaftlich erhellend, sie waren atemberaubend: Wenn Raaf sich tätowieren lassen würde, könnte es ein Blasenkammerbild sein, sagt sie. Ich habe bisher der Versuchung widerstanden, Tinte zu besorgen.
Wird digital
Nebelkammern und Blasenkammern hatten einen Nachteil. Spuren wurden normalerweise mit Fotos aufgezeichnet, und jede musste mit dem Auge auf Interessantes untersucht werden. Dieser Prozess war zu langsam; es hielt Physiker davon ab, die Teilchen zu entdecken, die vielleicht nur auf einem oder zwei von unzähligen Fotos auftauchen könnten, wenn überhaupt. Um die seltensten Partikel zu finden, „kann man sich nicht wirklich Bilder ansehen. Sie möchten diese Informationen auf intelligente Weise digitalisieren lassen“, sagt Sam Zeller, Teilchenphysiker am Fermilab.
Betreten Sie die Mehrdraht-Proportionalkammer. Diese 1968 erfundene Technologie basiert auf einer feinen Anordnung von Hochspannungsdrähten, die die Ladung aufzeichnen, die entsteht, wenn einfallende Partikel Elektronen von Atomen in einer gasgefüllten Kammer ablösen. Diese Technik könnte Millionen von Partikelspuren pro Sekunde einfangen, viel mehr als Blasenkammern erreichen könnten. Und die Daten gingen zur Analyse direkt an einen Computer. Mehrdraht-Proportionalkammern und ihre Nachkommen revolutionierten die Teilchenphysik und führten zu Entdeckungen von Teilchen wie dem Charm-Quark und dem Gluon in den 1970er Jahren und den W- und Z-Bosonen in den 1980er Jahren.
Einige der fortschrittlichsten modernen Detektoren führen ihre Abstammung auf Mehrdraht-Proportionalkammern zurück, wie beispielsweise Flüssig-Argon-Zeitprojektionskammern. Diese Detektoren sind hochauflösend, sodass Forscher die Details einer Interaktion vergrößern und in 3D visualisieren können. Zeitprojektionskammern mit flüssigem Argon werden der Schlüssel zu einem der größten bevorstehenden Teilchenphysik-Experimente in den Vereinigten Staaten sein, dem Deep Underground Neutrino Experiment in South Dakota. Da Neutrinos sehr selten mit Materie wechselwirken, erfordert das Experiment solch fortschrittliche Nachweistechniken.
Ein Licht leuchten
Wissenschaftler haben auch Methoden entwickelt, um Partikel über Licht zu erkennen. Wenn sich ein Teilchen über eine bestimmte Geschwindigkeitsgrenze für ein bestimmtes Material bewegt, emittiert es Licht, das als Cherenkov-Licht bekannt ist. Es ist analog zu einem Flugzeug, das die Schallgeschwindigkeitsgrenze passiert und einen Überschallknall erzeugt. Geladene Partikel können auch Licht emittieren, wenn sie Materialien passieren, die mit bestimmten Chemikalien versetzt sind, die als Szintillatoren bezeichnet werden.
Um die kleinen Lichtmengen zu erkennen, die einzelne Partikel hinterlassen, verwenden Wissenschaftler Photomultiplier-Röhren, die ursprünglich in den 1930er Jahren erfunden wurden und Licht in elektrische Signale umwandeln. Diese Röhren könnten verwendet werden, um entweder Cherenkov-Licht oder Szintillatorlicht aufzunehmen.
Szintillatordetektoren begannen 1956 ihren Wert zu beweisen, als ein Tank mit flüssigem Szintillator verwendet wurde, um das Neutrino zu entdecken – das einst als völlig unauffindbar galt. Flüssigszintillator-Detektoren sind nach wie vor verbreitet – zum Beispiel im NOvA-Neutrino-Experiment am Fermilab – ebenso wie Detektoren aus festen Kunststoffstreifen mit untergemischtem Szintillator.
Alles zusammenfügen
Moderne Detektoren an den größten Teilchenbeschleunigern der Welt, wie die Detektoren am Large Hadron Collider am CERN bei Genf, werfen von allem etwas ein. „Es ist diese Zwiebel verschiedener Arten von Detektoren; jede Schicht ist anders“, sagt Raaf.
Diese massiven Maschinen sind mehrere Stockwerke hoch und beinhalten eine Reihe von Technologien – Kunststoff-Szintillator-Detektoren, Cherenkov-Detektoren, Nachkommen von mehrdrahtigen Proportionalkammern. Sie umfassen typischerweise auch Detektoren aus Silizium, die Partikelspuren basierend auf kleinen elektrischen Strömen, die beim Durchtritt von Partikeln erzeugt werden, präzise messen können. Diese Detektoren arbeiten alle zusammen in einem sehr starken Magneten. Nachdem Teilchen im Zentrum des Detektors kollidieren, verarbeiten Computer die Daten aller Teile und rekonstruieren, was bei der Kollision passiert ist, und verfolgen die Wege, die die Teilchen genommen haben.
Unabhängig von der Technik ermöglichen die faszinierenden subatomaren Hieroglyphen Physikern, die Muttersprache der Materie zu entschlüsseln und ihre Bestandteile und die Kräfte, mit denen sie kommunizieren, zu enthüllen. „Es ist schon erstaunlich, dass man das Unsichtbare sieht“, sagt Zeller.
