Martin Pohl packt ein Jahrhundert Teilchenphysik zwischen zwei Buchdeckel

„Opfer“ das Standardmodells

Bis zu seiner Emeritierung im Jahr 2017 war Martin Pohl Physikprofessor an der Universität Genf und wirkte während fast eines halben Jahrhunderts an Forschungsprojekten der Teilchenphysik mit. Gestützt auf diesen Erfahrungsschatz ist ein Buch entstanden, in dem Pohl die Entwicklungsstränge dieser fundamentalen Forschungsrichtung der Physik kenntnisreich nachzeichnet. Kulminationspunkt ist das ‚Standardmodell‘ der Teilchenphysik – für Pohl wissenschaftliches Glanzlicht und Bürde zugleich.

Martin Pohl: Particles, Fields, Space-Time. From Thomson’s Electron to Higgs’ Boson. CRC Press 2021.
Bild: Martin Pohl

"Particles, Fields, Space-Time: From Thomson‘s Electron to Higgs‘ Boson" – so lautet der Titel des gut 300 Seiten starken Buches, das Martin Pohl vor kurzem vorgelegt hat. Der Autor bringt ein Leben als passionierter Forscher und Universitätslehrer in das Werk ein: Nach seinerPromotion an der RWTH Aachen arbeitete Pohl am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg und lange Zeit am Europäischen Labor für Teilchenphysik (CERN) in Genf, war aber auch an Experimenten wie dem Alpha-Magnet-Spektrometer (AMS) auf der Internationalen Raumstation ISS zur Messung der kosmischen Strahlung beteiligt. Der Buchautor kann zudem auf das didaktische Rüstzeug als langjähriger Universitätslehrer und Astroteilchenphysiker an der Universität Genf zurückgreifen.

Detailreiche Gesamtschau

Das weitgefächerte Wissen einer Akademikerkarriere gibt dem Fachbuch Gewicht und definiert seinen Anspruch. Es begrenzt zugleich seinen Leserkreis. Denn Personen, die nicht über ein Physikstudium verfügen, werden Pohls Darstellung über weite Strecken nicht folgen können. Wenn der Verlag in seiner Buchankündigung schreibt, die Veröffentlichung setze nur wenig Vorkenntnisse voraus, ist das definitiv Understatement. Wer sich als einschlägig vorinformierter Leser intensiv mit einem guten Jahrhundert teilchenphysikalischer Forschung befassen will, der bekommt von Martin Pohl eine überaus detailreiche Gesamtschau geboten, die gesellschaftliche Bezüge und wissenschaftsgeschichtliche Reflexionen mit einschliesst.

Als Angelpunkt wählt das Buch die Entdeckung des Elektrons im späten 19. Jahrhunderts. Diese grosse wissenschaftliche Leistung markiert den Beginn der Teilchenphysik als neuer Grundlagendisziplin und zugleich des Anfang des folgenreichen Siegeszuges der Elektronik, wie Martin Pohl treffend bemerkt. Der Autor stellt die Relativitätstheorie und die Quantenmechanik sowie deren spätere Verbindung zur Quantenfeldtheorie vor, und er zeichnet die Schritte nach, die in den 1960er und frühen 1970er Jahren in das Standardmodell der Teilchenphysik mündeten. Das Standardmodell bietet eine konsistente Beschreibung der bekannten Elementarteilchen und der zwischen ihnen wirkenden Kräfte. Und doch war dieses Gedankengebäude für den Experimentalphysiker Martin Pohl durchaus auch eine Bürde, wie er mit feiner Ironie bemerkt: „Ich bin den theoretischen Vorhersagen des Standardmodells fast mein ganzes Berufsleben lang hinterhergerannt, und habe vergeblich versucht, eine Lücke in der Festung zu finden.“ Er sehe sich heute als „Opfer“ des Standardmodells und stehe diesem mit einem „gewissen Fatalismus“ gegenüber.

Dieses ambivalente Grundgefühl nährt sich wohl auch aus dem Umstand, dass der Teilchenphysik heute grosse und teure Forschungsinfrastrukturen zur Verfügung stehen, die bei den Forschungskollaborationen, die hier ihre Experimente durchführen, einen riesigen Appetit auf Erkenntnisse wecken, der nicht immer befriedigt werden kann. In seinem Buch liefert Pohl nicht nur eine ausführliche Darstellung des Standardmodells, sondern geht auch auf die Forschungsansätze ein, die über die Physik, die im Standardmodell beschrieben wird, hinausgehen.

Teilchenstrahl von Menschenhand

Nachdem der österreichische Physiker Victor Franz Hess 1912 die kosmische Strahlung entdeckt hatte, war diese für Jahrzehnte die bevorzugte Quelle für die Erforschung hochenergetischer Teilchen. Die kosmischen Strahlen wurden später durch künstlich erzeugte Teilchenstrahlen abgelöst, die in Teilchenbeschleunigern erzeugt und in Detektoren analysiert wurden. 1934 wurde dazu im kalifornischen Berkeley das erste Zyklotron gebaut. Die europäischen Staaten bündelten ihre Forschung im 1954 gegründeten CERN.

Heute ist das CERN mit dem Teilchenbeschleuniger LHC “das weltweit führende Teilchenphysik-Labor“, wie Pohl festhält. Proton-Proton-Kollisionen am Large Hadron Collider (LHC) haben Energien, die 100‘000 Mal höher sind als jene, die 1934 in Berkeley erzielt wurden. Doch noch immer kann es die Natur besser, wie Martin Pohl festhält: „Astrophysikalische Phänomene können Teilchen auf Energien beschleunigen, die um Grössenordnungen höher sind als das, was Menschen mit Beschleunigern je hoffen erreichen zu können.“ Für Experimente sind diese natürlichen Teilchen indes wenig hilfreich: In Erdnähe zeigt sich ein solches Teilchen auf einem Quadratkilometer Fläche nur gerade mal einmal pro Jahrhundert.

Englisch löst Deutsch als Wissenschaftssprache ab

Interessanterweise widmet Martin Pohl eines der zehn Kapitel der ‚Physik während Kriegszeiten‘. Er schildert das US-amerikanische ‚Manhattan-Projekt‘ zum Bau der Atombombe und weist nebenher nach, dass es in Nazideutschland zwar ein Nuklearprogramm gab, das aber bescheiden ausgestattet war und auf atomare Antriebe abzielte, nicht auf den Bau einer Atombombe. Bereits den Ersten Weltkrieg hatten Wissenschaftler unter anderem mit Chemiewaffen und U-Boot-Erkennung massgeblich beeinflusst. Just nach Kriegsende erhielten mit Max Planck, Johannes Stark und Fritz Haber drei deutsche Forscher den Nobelpreis. Martin Pohl sieht hier aber doch eher eine negative Zäsur: Deutsche Forscher wurden nach dem Krieg für zehn Jahre von internationalen Konferenzen ausgeschlossen, und „Deutsch, eine frühere Wissenschaftssprache, wurde vollständig durch Englisch ersetzt“, wie Pohl schreibt.

In Englisch ist jetzt auch das Buch von Martin Pohl verfasst, und das ist durchaus typisch für die Teilchenphysik, deren Forschergemeinschaft wie kaum eine andere nationale Grenzen hinter sich gelassen hat. Eine Bibliographie und ein Schlagwortverzeichnis bilden die hilfreichen Schlusspunkte von Pohls Darstellung.

Martin Pohl: Particles, Fields, Space-Time. From Thomson’s Electron to Higgs’ Boson. CRC Press 2021.

Autor: Benedikt Vogel

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