Physiknobelpreis 1990: Jerome Isaac Friedman — Henry Way Kendall — Richard Edward Taylor


Physiknobelpreis 1990: Jerome Isaac Friedman — Henry Way Kendall — Richard Edward Taylor
Physiknobelpreis 1990: Jerome Isaac Friedman — Henry Way KendallRichard Edward Taylor
 
Die amerikanischen Forscher Friedman und Kendall und ihr kanadischer Kollege Taylor erhielten den Nobelpreis für ihre Experimente zum Nachweis der Quarks, elementarer Teilchen mit drittelzahliger Ladung.
 
 Biografien
 
Jerome Isaac Friedman, * Chicago 28. 3. 1930; ab 1967 Professor am Massachusetts Institut für Technologie (MIT) in Cambridge, ab 1980 Direktor des MIT.
 
Henry Way Kendall, * Boston 9. 12. 1926; ab 1967 Professor am MIT. Großes Engagement für Umweltschutz und Abrüstungsfragen.
 
Richard Edward Taylor, * Medicine Hat (Kanada) 2. 11. 1929; 1961-62 am Lawrence Berkeley Laboratorium in Kalifornien, ab 1970 Professor am Stanford Linearbeschleunigerzentrum (SLAC) in Palo Alto, Kalifornien; 1981 am DESY in Hamburg.
 
 Würdigung der preisgekrönten Leistung
 
Die Preisträger sind die Schlüsselpersonen einer Forschergruppe, die in einer Serie von Experimenten klare Hinweise auf die innere Struktur von Proton und Neutron gefunden haben. Ihr »SLAC-MIT-Experiment« belegte die Quarktheorie und war Grundlage für die weiterführende Erforschung der Protonenstruktur.
 
Streuexperimente an festen Proben machten 1911 erstmals Furore. Damals hatten der deutsche Physiker Hans Geiger und sein englischer Kollege Ernest Marsden Alphateilchen auf eine Goldfolie geschossen. Sie erwarteten, dass die Teilchen die Folie durchdringen und dabei von den Goldatomen schwach abgelenkt werden. Das überraschende Ergebnis, dass eines von 20 000 Teilchen um 90 Grad abgelenkt wurde, ließ die beiden schlussfolgern, dass die Atome überwiegend leer sein müssen, aber einen kleinen, harten Kern besitzen, von dem die Teilchen abprallen und gestreut werden. Bis dahin betrachtete man das gesamte Atom als weiche, geleeartige Sphäre, in die sowohl die positiven als auch negativen elektrischen Ladungen eingebettet sein sollten. Durch den Erfolg etablierte sich eine neue experimentelle Methode, die es in Analogie zu den optischen Beobachtungsmethoden ermöglichte, die Wellenlänge beschleunigter Teilchen zur Strukturanalyse zu nutzen.
 
 Die Nucleonen offenbaren sich
 
Die innere Struktur der Atome wurde seitdem immer intensiver untersucht. Robert Hofstadter (Nobelpreis 1961) beschoss in den 1950er-Jahren in Stanford Nucleonen mit auf 500 MeV (Megaelektronenvolt) beschleunigten Elektronen. Da zwischen Elektronen und Protonen keine Kernkräfte wirken, sind solche Experimente verhältnismäßig einfach zu interpretieren. Es gelang ihm unter anderem nachzuweisen, dass die Ladungsdichte im Proton nicht homogen verteilt war. Bis dahin sah man die Nucleonen als elementare, nicht weiter zerlegbare Teilchen an. Murray Gell-Mann (Nobelpreis 1969) und George Zweig postulierten wenig später unabhängig voneinander, dass die Nucleonen und alle anderen entdeckten Hadronen ausjeweils drei Quarks aufgebaut seien. Dieser überzeugenden Theorie fehlte allerdings das Entscheidende, die experimentelle Bestätigung. Beschleuniger, die Elektronen auf die dazu notwendige Energie bringen konnten, existierten noch nicht.
 
Das änderte sich, als 1968 der große Linearbeschleuniger in Stanford (SLAC) fertig gestellt wurde. Die 3,2 Kilometer lange Anlage stellte eine Leistung von mehr als 20 GeV (Gigaelektronenvolt = Milliarden Volt) zur Verfügung. Es war damals das größte »Elektronenmikroskop« der Erde. Bei Energien von einer Milliarde Elektronenvolt beträgt die entsprechende Wellenlänge der Elektronen ein Fünftel des elektromagnetischen Radius eines Protons. Ungleiche Ladungsverteilungen sollten sich mit dem neuen Instrument deshalb sicher nachweisen lassen.
 
 Routine mit Überraschungen
 
Doch die drei Physiker und ihre 19 Mitarbeiter begannen ihr vom SLAC und dem MIT gemeinsam durchgeführtes Forschungsprojekt zunächst mit Routineläufen. Sie wiederholten die Hofstadter-Versuche mit wesentlich höheren Energien. Mit bis zu 21 GeV beschossen sie Proben von flüssigem Wasserstoff und Deuterium. Im Ergebnis verhielten sich die Kernteilchen der Atome, die Nucleonen, wie erwartet. Wie »weiche« Bälle lenkten sie die Elektronen nur mit kleinen Winkeln ab. Die Forscher gingen deshalb zum nächsten Routineexperiment über. Sie untersuchten die inelastische Streuung, bei der Elektronen in den Kern eindringen. Das Elektron verliert dabei einen großen Teil seiner kinetischen Energie und wird deshalb sehr viel stärker abgelenkt als bei der elastischen Streuung. Auch solche Versuche wurden bei niedrigen Energien schon seit zwei Jahrzehnten durchgeführt. Obwohl sie mehr als 20 GeV Beschleunigungsenergie einsetzten, erwarteten sie deshalb keine grundlegend neuen Phänomene. Die Streuung maßen sie zunächst nur bei kleinen Winkeln von 6 und 10 Grad, ohne auffällige Ergebnisse zu erhalten. Doch als sie die Messung auf die Winkel 18, 26 und 34 Grad ausweiteten, erlebten sie eine Überraschung. Die Zahl der mit großen Winkeln gestreuten Teilchen war ungewöhnlich groß. Sie überstieg deutlich die Werte, die bei einer homogenen Struktur der Protonen zu erwarten gewesen wären. Das ließ sich mit den Vorstellungen von einem homogenen Proton nicht erklären. Zunächst waren sie überzeugt, falsch gemessen zu haben. Eine der vermuteten Fehlerquellen war die so genannte Strahlungskorrektur. Sie besagte, dass ein einfallendes oder abstrahlendes Elektron einen Teil seiner Energie als Licht aussenden kann. Die gemessenen Energien müssten in diesem Fall einen kleinen Fehler haben. Solche Blitze konnten sie aber nicht beobachten. Die Wiederholung des Experiments bestätigte, dass sie fehlerfrei gearbeitet hatten.
 
 Ein zwingendes Ergebnis
 
Die Analyse der Ergebnisse forderte zwingend, dass sie eine innere Nucleonenstruktur, das so genannte harte Beugungszentrum, beobachtet hatten. Dieses Ergebnis der Inhomogenität ließ auf Objekte im Innern der Protonen schließen, deren Durchmesser weniger als ein Fünfzigstel des Protonendurchmessers betragen musste. Richard Feynman (Nobelpreis 1965) gab diesen hypothetischen Objekten den Namen »Partonen«. Kendall schrieb später dazu: »Die vorläufige Schlussfolgerung ist, dass die Kernteilchen eine komplexe innere Struktur aus punktförmigen Konstituenten haben, die derzeit Partonen genannt werden; es gibt zudem Indizien, dass Partonen in einigen Eigenschaften mit denen übereinstimmen, die man schon früher jenen hypothetischen Teilchen zugeschrieben hat, die Quarks genannt worden sind.«
 
Die Quarkhypothese war umstritten. So wandte sich Werner Heisenberg (Nobelpreis 1932) dagegen — unter anderem weil sie dem Pauli-Prinzip (Wolfgang Pauli, Nobelpreis 1945) widersprach. Es zeichnete sich aber ab, dass Quarks nicht nur mathematische Quantitäten darstellen. Sie sind die fundamentalen Bausteine der Hadronen. Der elektrisch neutrale »Kleber«, der die Quarks zusammenhält, wurde »Gluonen« genannt. Die Materie der Erde — auch des menschlichen Körpers — besteht zu 99 Prozent aus Quarks mit assoziierten Gluonen. Was übrig bleibt, sind die Elektronen.
 
Das Nobelkomitee bezeichnete die Experimente als Gegenstück zu den bahnbrechenden Arbeiten von Geiger und Marsden. 1911 sprach man von den »harten Körnern« der Atomkerne, die durch die großen Ablenkwinkel der Alphateilchen entdeckt worden sind. Die großen Winkel der Elektronen führten nun zur Entdeckung der »harten Körner«, den Quarks als Bausteine der Hadronen.
 
U. Schulte

Universal-Lexikon. 2012.


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