In den 1950er Jahren begann in der Elementarteilchenphysik die Ära der Blasenkammern. Sie vermittelte ein beispielloses Gefühl für die Realität des Mikrokosmos und ermöglichte es Ihnen, die Spuren, die die Partikel hinterlassen, buchstäblich zu betrachten.
Nach fast 30 Jahren im Dienst der Wissenschaft sind Kameras elektronischen Detektoren gewichen, die viel mehr Ereignisse mit viel mehr Energie und mit größerer Genauigkeit aufzeichnen können. Aber alle Kollisionen und Umwandlungen von Teilchen, die durch moderne elektronische Methoden erkannt werden, sind sicher in der Dicke von Hunderten von Halbleiterelementen, Kalorimetern, Zählern verborgen und erscheinen vor uns in virtueller Form, neu berechnet, ausgewählt nach vormodellierten Schemata. Computeranimation ersetzt also in unserem Alltag Filme mit echten Künstlern. Und obwohl experimentelle Methoden heute fantastische Höhen erreicht haben, erzählen Lehrer Schülern und Schülern von Fotos, die vor Jahrzehnten mit Geräten aufgenommen wurden, über die erstaunliche Welt der Teilchen, über die wir gleich sprechen werden.
Von Tröpfchen zu Blasen
Die Hauptmittel zum Nachweis geladener Teilchen waren Mitte des 20. Jahrhunderts Kernemulsionen und Nebelkammern. In nuklearen Emulsionen fand während des Durchgangs eines Teilchens eine chemische Reaktion statt, und in einer Nebelkammer, die bei einem Druck von 300 Atmosphären betrieben wurde, kondensierte übersättigter Dampf zu einer Flüssigkeit.
Zu diesem Zeitpunkt waren bereits viele Teilchen entdeckt worden: Elektronen, Positronen, Protonen, Neutronen, Myonen in kosmischer Strahlung, Pionen. Aber es gab auch solche mysteriösen Exemplare, die mit Hilfe vorhandener Detektoren nicht untersucht werden konnten. Um mit ihnen fertig zu werden, brauchten die Experimentatoren neue Methoden zum Nachweis von Partikeln.
Im Jahr 1950 begann Donald Glazer an der University of Michigan nach neuen Nachweismethoden zu suchen. Die Anforderungen an den Detektor waren wie folgt. Es musste zünden und in wenigen Sekunden wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren, weil zu diesem Zeitpunkt bereits ein neuer Beschleuniger für den Start vorbereitet wurde, der in der Lage war, Protonenstrahlen in solch kurzen Abständen zu liefern. Außerdem mussten in diesen Sekunden die durch vorbeifliegende Partikel verursachten Veränderungen so deutlich werden, dass sie auf einem Foto festgeh alten werden konnten, und das alles bei vernünftigen Temperaturen und Drücken. Glaser ging viele Optionen im Zusammenhang mit chemischen und elektrischen Umwandlungen, Flüssigkeiten und Feststoffen durch und entschied sich für eine überhitzte Flüssigkeit.
Überhitzte Flüssigkeit
Machen wir einen kleinen Exkurs und sprechen kurz über das physikalische Phänomen der Überhitzung, auf dem das Funktionsprinzip der Blasenkammer und der ihr vorangegangenen Wilson-Kammer beruht. Es ist bekannt, dass beispielsweise Wasser unter normalen Bedingungen bei einer Temperatur von 100°C siedet. Aber diejenigen, die jemals hoch in die Berge geklettert sind, wo der Druck geringer ist als auf Meereshöhe, werden bestätigen, dass 900 ° C ausreichen, um dort Wasser zu kochen. Andererseits steigt mit steigendem Druck auch der Siedepunkt. Das Interessanteste ist jedoch, dass, wenn eine unter hohem Druck erhitzte Flüssigkeit plötzlich wieder in den Normalzustand zurückkehrt (Druck mit einem Kolben verringern), sie nicht sofort kocht, sondern einige Zeit in einem instabilen Zustand bleibt, bis sie gestört wird. Eine solche Flüssigkeit wird als überhitzt bezeichnet. Ein geladenes Teilchen kann sein instabiles Gleichgewicht stören. Wenn sich das Teilchen bewegt, werden in der Flüssigkeit Ionen gebildet, um die herum Blasen entstehen, und das Sieden beginnt.
Beginn des Blasenzeit alters
Aber zurück zu Glaser. Für seine ersten Experimente wählte er Diethylether, der relativ billig und in seiner reinen Form leicht zu isolieren war und dessen Arbeit keine übernatürlichen Temperaturen und Drücke erforderte. Nachdem er seine eigenen Berechnungen durchgeführt hatte, beschloss Glaser dennoch, in der wissenschaftlichen Literatur nach Daten zu suchen und fand 1924 in einer der führenden Zeitschriften für physikalische Chemie einen interessanten Artikel über Experimente mit Diethylether. Die dort festgestellte hauptsächliche experimentelle Tatsache war die folgende: Diethylether, der bei einem Normaldruck von einer Atmosphäre auf eine Temperatur von 140°C überhitzt wurde, kochte spontan in zufälligen Intervallen. Und hier sollten wir Glasers Beharrlichkeit und Intuition würdigen. Er analysierte die gegebene Tablette in diesen zufälligen Intervallen und stellte fest, dass die durchschnittliche Zeit, nach der das Kochen eintritt, 60 Sekunden beträgt. Dann nahm er die bekannten Daten zum kosmischen und radioaktiven Hintergrund, berücksichtigte das von den Autoren beschriebene Design des Behälters mit Äther und berechnete, dass im Durchschnitt alle 60 s ein Teilchen durch ihn hindurchfliegen sollte!
Sieht aus, als wäre er auf dem richtigen Weg. Das erste von Glaser hergestellte Gerät bestand aus zwei miteinander verbundenen Rohren, die mit flüssigem und gasförmigem Diethylether gefüllt waren. Sie hatten eine Länge von 10 cm und einen Innendurchmesser von 3 mm. Zuerst wurden beide Rohre auf 160°C und 140°C erhitzt, und dann wurde das stärker erhitzte auf Raumtemperatur abgekühlt. In diesem Fall bildete sich in der zweiten Röhre ein überhitzter Zustand, und sobald eine Quelle radioaktiver Strahlung dorthin gebracht wurde (Gleiser verwendete radioaktives Kob alt), begann Diethylether zu sieden. Somit war die Möglichkeit des Nachweises mit einer überhitzten Flüssigkeit bewiesen, aber eine andere, nicht weniger wichtige Frage blieb - ist es möglich, auf diese Weise genaue Spuren von Partikeln zu erh alten?
Um dies zu zeigen, bereitete Glazer mehrere kleine Kammern aus feuerfestem Borglas (Pyrex) vor, die mit einigen Kubikzentimetern Diethylether gefüllt waren. Die hohe Temperatur wurde mit einem Ölbad aufrechterh alten, und ein spezieller Griff wurde verwendet, um den Druck manuell abzulassen. Gleichzeitig mit dem Öffnen des Griffs wurde eine Filmkamera eingesch altet und filmte alles, was in den Gefäßen passierte, mit einer Geschwindigkeit von 3000 Bildern pro Sekunde. Dann wurde der Prozess der Druckentlastung und anschließenden Komprimierung automatisiert und mit einer Filmkamera und einem Geigerzähler synchronisiert, die das Auftreten eines Partikels meldeten. Der Film fesselt. Während des Durchgangs eines geladenen Teilchens gebildete Blasen wuchsen in 300 &mgr;s auf bis zu 1 mm an. In vielen Fällen waren die Spuren von Partikeln deutlich sichtbar, und es wurde deutlich, dass das Instrument für Messungen durchaus geeignet war.
1955 wurde in Brookhaven, USA, erstmals eine mit Propan gefüllte 15 cm große Blasenkammer in einem Beschleunigerexperiment verwendet. Und schon im nächsten Jahr wurde eine weitere doppelt so große Kamera mit 30 cm Durchmesser in ein Magnetfeld gestellt und erhielt 60.000 Stereobilder mit Bildern von Teilchenspuren. Auf ihnen konnte man nun positive und negative Teilchen unterscheiden, da sie unter dem Einfluss eines Magnetfeldes in unterschiedliche Richtungen abweichen, und aus der Krümmung der Flugbahn ihre Geschwindigkeit berechnen. Damit begann die Ära der Blasenkammern und 1960 erhielt Donald Glaser für seine Erfindung den Nobelpreis für Physik.
Wunder der Technik
Eine als Blasenkammer bezeichnete Vorrichtung ist ein Gefäß mit Fenstern, das mit einer durchsichtigen Flüssigkeit unter einem Druck von mehreren Atmosphären gefüllt und in ein Magnetfeld gebracht wird. Wenn das Arbeitsmittel bei sehr niedriger Temperatur siedet, beispielsweise Wasserstoff, wird das Ganze noch in einen Kryostaten gegeben und gekühlt. Bevor Partikel aus dem Beschleuniger ausgestoßen werden, dehnt sich das Arbeitsvolumen mit Hilfe eines speziellen Kolbens aus, der Druck sinkt und es entsteht eine überhitzte Flüssigkeit. Einige Partikel fliegen durch, einige interagieren mit der Substanz der Kammer, aber alle, die eine Ladung haben, hinterlassen Spuren in Form von Blasen einer siedenden Flüssigkeit. All dies geschieht in Hundertstel Mikrosekunden. Nach einigen Millisekunden wachsen die Blasen auf sichtbare Größe an, eine Blitzlampe wird zur Beleuchtung eingesch altet und mehrere Kameras (normalerweise drei davon) fotografieren gleichzeitig das Arbeitsvolumen der Kamera. Sie sind starr an verschiedenen Stellen desselben Fensters befestigt, was bedeutet, dass Sie ein Stereobild erh alten können. Nach der Aufnahme der Bilder wird der Druck wieder erhöht, die Blasen verschwinden und die Kammer ist wieder messbereit. Der gesamte Zyklus dauert mehrere zehn Millisekunden.
Aber die Bilder selbst sind die halbe Miete. Dann beginnt der Prozess der Flugbahnanalyse und Partikelidentifikation. Und wenn die Anhäufung von Bildern während des gemeinsamen Betriebs von Blasenkammer und Beschleuniger mehrere Tage oder Wochen dauern kann, dann kann die Verarbeitung der erh altenen Informationen Monate oder sogar Jahre dauern. Einem Uneingeweihten scheint es, als seien auf den Fotografien aus der Blasenkammer bedeutungslose Schnörkel und Schnörkel aufgedruckt. Aber für einen Physiker ist dies eine Fundgrube an Informationen. Enge Spiralen entsprechen Elektronen (oder Positronen, wenn sie in die andere Richtung gedreht sind). Die sogenannten "Gabeln" bedeuten, dass an dieser Stelle das ankommende Teilchen mit dem Kern der die Kammer füllenden Substanz kollidierte und dadurch einige weitere Teilchen gebildet wurden. Und wenn die Gabel „aus dem Nichts“beginnt, bedeutet das, dass ein neutrales Teilchen zerfallen ist.
Wenn alle Trajektorien (oder Spuren) auf allen drei gleichzeitig aufgenommenen Bildern sorgfältig vermessen werden, dann ist es möglich, das räumliche Bild des Ereignisses zu rekonstruieren und die Eigenschaften aller daran beteiligten Teilchen zu berechnen. Zuerst taten dies die Physiker selbst manuell, aber als sich die Rechnung auf Hunderttausende von Frames belief, wurde die Situation durch Computer und halbautomatische Scangeräte gerettet, die zu diesem Zeitpunkt erschienen waren. Ohne sie wäre es einfach unmöglich, einen solchen Berg an Informationen zu bewältigen. Die Gesamtzahl der bei Experimenten an Blasenkammern erh altenen Stereobilder übersteigt 100 Millionen!
Der letzte Mohikaner
Seit 30 Jahren wurden auf der Welt etwas mehr als hundert Blasenkammern gebaut, die es ermöglichten, eine ganze Galaxie neuer Teilchen zu sehen, die von der Theorie vorhergesagt wurden, und die Existenz eines "bezauberten" Quark. Welche Art von Flüssigkeiten (oder besser gesagt Flüssiggasen) wurden darin nicht verwendet: Wasserstoff, Deuterium, Propan, Xenon, Neon, Freon und sogar Helium. Auch die Betriebstemperaturen wurden variiert: von ultraniedrig für Helium oder Wasserstoff bis fast Raumtemperatur für Xenon, Propan oder Freon. Ausgehend von einer kleinen Größe von einigen zehn Zentimetern erreichten die Kameras schließlich eine wirklich gigantische Größe. Die letzte Blasenkammer am Europäischen Zentrum für Kernforschung wurde 1971 gebaut und hieß "Gargamel". Es war ein Zylinder mit einem Durchmesser von 1,85 m und einer Länge von 4,85 m, gefüllt mit 18 Tonnen Freon. Damit ist die neueste Errungenschaft der Kammerära verbunden - die Entdeckung ungewöhnlicher Wechselwirkungen von Elementarteilchen, sogenannte neutrale Ströme. Im selben Jahr wurde in den USA die mit 4,5 m Durchmesser weltweit größte nahezu kugelförmige Blasenkammer für die Arbeit mit flüssigem Wasserstoff und Deuterium hergestellt. Aber keine technischen Fortschritte konnten die Situation grundlegend ändern: Diese Detektoren konnten nicht mit neuen Beschleunigern arbeiten, die Teilchenstrahlen mit enormer Energie und Intensität erzeugten. Die Ära der Blasenkammern neigte sich dem Ende zu.
Neu - nicht ganz vergessen alt
Aber es ist noch zu früh, die Fotos aus den Blasenkammern im Bildarchiv abzuschreiben. Noch im Jahr 2002 berichteten zwei experimentelle Gruppen (eine am Spring-8-Synchrotron in Japan und die andere am Institut für Theoretische und Experimentelle Physik in Moskau) fast gleichzeitig über die Entdeckung neuer Teilchen namens Pentaquarks. Russische Wissenschaftler stießen auf dieses Phänomen, als sie ihre experimentellen Daten analysierten, die sie vor vielen Jahren an der Diana-Xenon-Blasenkammer erh alten hatten! Vielleicht findet sich unter den 100 Millionen Bildern noch etwas Interessantes?