
\chapter{Experimente mit dem DORIS-Speicherring}
% letzte aenderung 7.10.08
\section{Die Novemberrevolution}
Während DESY mit dem Bau von DORIS beschäftigt war, waren die anderen 
Beschleunigerzentren
nicht untätig geblieben. Der Speicherring ADONE in Frascati mit 1,5~GeV
Strahlenergie war 1969 fertig geworden. Auf der Elektron-Photon-Konferenz
in Cornell 1971 hatte C. Bernardini schon erste Daten präsentiert. 

Die US-Forschungspolitik zeigte im Vergleich dazu ein schwaches Bild. Sowohl
der Speicherringvorschlag des C.E.A. in Cambridge als auch der Vorschlag
von SLAC wurden nicht genehmigt. Davon ließen sich die Physiker dieser beiden
Zentren aber nicht beeindrucken. Am C.E.A. verwandelten sie unter der
Leitung von \index{Voss}\index{bypass}
G. A. Voss das Elektronen-Synchrotron in einen behelfsmäßigen Speicherring.
Dieser, nach seiner Hauptidee \glq{}bypass\grq{} genannt \cite{By67}, hatte nur eine 
kleine Luminosität, doch dies reichte für eine Sensation aus. Auf der 
internationalen Hochenergiekonferenz in
Chicago 1972 konnten sie zeigen, dass der Wirkungsquerschnitt für die 
Elektron-Positron-Annihilation
in Hadronen bei der hohen Schwerpunktenergie von 4~GeV überraschend 
groß war und hauptsächlich zu
Vielteilchen-Endzuständen führte. Ähnliches zeigten auch die Messungen 
von ADONE bei kleinerer Energie~\cite{Sil72}. Damit war die Bühne für die 
\index{ADONE}
kommenden Sensationen präpariert und das Konzept und die experimentellen
Vorbereitungen in Hamburg gerechtfertigt. 

  Man begann nun, diese Daten in der
heute allgemein anerkannten Weise zu interpretieren:
Dabei wird der Wirkungsquerschnitt für die Erzeugung von Hadronen durch die
Annihilation von Elektron und Positron in ein Quark-Antiquark-Paar erklärt,
wobei die Quarks sich sofort in Hadronen umwandeln. Der letztere Schritt
bereitete Kopfzerbrechen: Warum konnte man die Quarks nicht direkt 
beobachten? Das erweckte Zweifel an diesem Bild. Sie wurden erst durch die
Entdeckung der asymptotischen Freiheit und des \glq{}Confinement\grq{} 1973 ausgeräumt:
Näherungsweise Lösungen der Gleichungen der QCD und Messungen legen es
nahe, dass die Kraft zwischen zwei Quarks auch bei großem Abstand so stark
bleibt, dass sich die Quarks nicht aus den Fesseln der starken Wechselwirkung
befreien und als freie Teilchen auftreten könen. \addbigparskip

Auch die Physiker am SLAC dachten sich etwas aus, um zu einem Speicherring zu 
kommen. Sie erklärten
ihr Speicherringprojekt kurzerhand zu einem \glqq{}Experiment\grqq{}, und damit war es 
nicht mehr
durch die Behörden genehmigungspflichtig. Auf einem Parkplatz errichteten
sie eine stark vereinfachte Version eines Speicherrings, den sie \glq{}SPEAR\grq{}
nannten. Im Gegensatz zu \index{SPEAR}
DORIS bestand er nur aus einem Ring und war natürlich wesentlich billiger, 
hatte
allerdings potentiell eine kleinere Luminosität als im ursprünglichen 
Vorschlag vorgesehen. Doch das stellte sich im folgenden als nicht entscheidend
heraus. Entscheidend war vielmehr der zeitliche Vorsprung, zu dem diese
einfache Konstruktion den SLAC-Physikern verhalf. Schon 1972 war SPEAR 
fertiggestellt,
und 1973 begannen die Messungen mit dem magnetischen Detektor MARK~I\index{MARK I}. \addbigparskip 
 

Zunächst bestätigte man ohne Probleme die großen Wirkungsquerschnitte, 
die in Frascati und am C.E.A. bypass gefunden worden waren. Als die 
SLAC-Physiker dann systematisch den Wirkungsquerschnitt als Funktion
der Schwerpunktenergie bestimmten, lag ein Messpunkt bei einem Wert der Energie
 nahe bei 3,2~GeV ein bisschen höher als die benachbarten Messpunkte.
 Um zu klären, ob das
vielleicht eine Fehlmessung war, begannen sie am 10. November 1974 den
Wirkungsquerschnitt in der Umgebung von 3,2~GeV in kleinen Energie-Schritten zu
messen. Dies war die Nacht, in der Physikgeschichte geschrieben wurde, der 
Auslöser
der \glq{}Novemberrevolution\grq{}. \index{Novemberrevolution} Bei einer Energie von 
3,097~GeV fanden sie einen
ungeheueren Anstieg der Zählrate; der Wirkungsquerschnitt stieg in einer
sehr hohen und sehr schmalen Resonanzkurve um mehr als den Faktor 100 an. Noch 
nie war ein so irrer Effekt in der Elementarteilchenphysik erwartet
oder beobachtet worden. \addbigparskip

Am nächsten Tag kam Sam Ting zu einer Komiteesitzung
zum SLAC, und es entspann sich der Sage nach folgender Dialog. Burton Richter, 
der Leiter der SLAC-Gruppe, sagte: \glqq{}Sam, I have some interesting physics I 
want to tell you.\grqq{}
Worauf Ting antwortete: \glqq{}Burt, I also have some interesting physics I want to 
tell you.\grqq{} In der Tat hatte Ting dieselbe Resonanz schon vor der 
SLAC-Entdeckung in seinem
Paarproduktions-Experiment am Brookhaven Nationallaboratorium (BNL) gesehen. Im
Gegensatz zu den Physikern am SLAC hatte er gezielt nach einer Resonanz 
gesucht. Am DESY
war er bei seiner Suche bis 2,8~GeV gekommen. Er hatte dann beschlossen, die 
Suche
am BNL fortzusetzen, das über einen 33~GeV Protonenbeschleuniger verfügte.
In einer experimentellen Meisterleistung entdeckte er diese spektakuläre
Resonanz bei 3,1~GeV. Das war so außergewöhnlich, dass er die Messung mit
äußerster Sorgfalt überprüfte. Die dadurch verursachte Verzögerung 
kostete ihn fast
seinen Nobelpreis. Er hatte zum Glück Vorbereitungen für eine schnelle
Publikation getroffen, und so erschien sein Bericht zusammen mit dem vom SLAC 
im selben
Heft von \glq{}Physical Review Letters\grq{} \cite{Aub74,Aug74}. Dies war ein 
sicherer 
Nobelpreis für Ting und Richter. \addbigparskip
\index{Ting}\index{Richter} 
\index{SLAC}\index{BNL}
 Der Kampf um die Ehre, das neue Teilchen zu benennen, ging
unentschieden aus, und so bequemte sich die Physiker-Gemeinde, es $J/\psi$ zu 
nennen,
wobei $J$ der Vorschlag von Ting und $\psi$ der Vorschlag des SLAC war. \addbigparskip

Diese Geschichte hinterließ einige andere Physiker mit einem roten Kopf.
Der ADONE-Speicherring in Frascati hatte eine maximal erreichbare
Schwerpunktenergie von offiziell 3,0~GeV. Als sich  die 
SLAC-Entdeckung
wie ein Lauffeuer herumsprach, war es kein Problem für ADONE, die Energie 
ein bisschen auf 3,1~GeV zu erhöhen, und da war die Resonanz. Sie war all 
die Jahre zum Greifen nahe gewesen. Auch am CERN mit seinen dem BNL 
überlegenen Anlagen hätte man diese Entdeckung wohl machen können. 

\section{Erste Messungen am DORIS-Speicherring}
Anfang 1974 konnten zum ersten Mal Elektronen und Positronen im 
DORIS-Speicherring 
gespeichert werden. Aber die Strahl-Instabilitäten verhinderten zunächst 
das 
Speichern größerer Ströme. Ein Antrag der Gruppen F39/F12, mit einer
in Frascati erprobten einfacheren Apparatur Messungen aufzunehmen, wurde am
1. März 1974 vom Forschungskollegium abgelehnt, da es die Tests und den
Einsatz der anderen Experimente verzögern würde. Außerdem bestanden
Zweifel, ob die erforderliche Variation der Strahlenergie schon möglich
sein würde. In der Tat war ein Großteil der Zeit der Entwicklung des
Speicherrings gewidmet, wo noch viele Schwierigkeiten bestanden, die einen
geregelten Betrieb verhinderten. Auch waren häufige Betriebsunterbrechungen 
notwendig. Erst nach langen Anstrengungen gelang gegen
Jahresende ein für Experimente brauchbarer Betrieb. Im Oktober 1974 fuhren
die Detektoren PLUTO und DASP in ihre Wechselwirkungszonen und Ende
Oktober begann der Messbetrieb mit den üblichen Anfangsschwierigkeiten. 
Ähnlich wie am SLAC hätte es wohl
einige Zeit gebraucht, bis man selbständig auf die Resonanz gestoßen 
wäre. So aber musste man nicht lange suchen. Am 30. November
 1974 war mit PLUTO und kurz darauf mit DASP die Resonanz gefunden. \addbigparskip

Die beiden Gruppen konnten sich nun sofort an dem neuen 
Forschungsgebiet beteiligen,
das diese Entdeckung erschloss. Es herrschte eine richtige 
Goldgräberstimmung, und 1975--77 häuften sich die Entdeckungen.
 Bald war klar, dass es sich bei der $J/\psi$
 Resonanz
um einen gebundenen Zustand aus einem neuen schweren Quark, genannt $c$ wie
\glq{}Charme\grq{}, und seinem Antiteilchen handelte.
 Mehrere der Entdeckungen, die zu dieser Deutung führten,
kamen vom DESY, das damit schlagartig zusammen mit dem SLAC ins Zentrum der 
Aufmerksamkeit rückte. 

Die erste bedeutende Entdeckung am DORIS machte die DASP-Kollaboration. Wenn 
das $J/\psi$ wirklich ein atomähnlicher gebundener Resonanz-Zustand aus 
einem schweren Quark und dem entsprechenden Antiquark war,
 dann musste es auch, wie im Atom, noch mehrere andere gebundene 
Zustände
geben. Solche Zustände nennt man sinngemäß \glq{}Charmonium\grq{}.  Ein zweiter 
gebundener Zustand bei einer Masse von 3,686~GeV, das
$\psi(2S)$, war schon am SLAC gefunden worden. Nach den Gesetzen der
Atomphysik musste diese Resonanz unter Aussendung eines Photons von über 
100~MeV in einen P-Wellen-Zwischenzustand (mit Bahndrehimpuls $l$=1) und 
dieser wiederum unter
Emission eines Photons in das $J/\psi$ zerfallen. Diese Kaskade aus zwei 
Photonen
wurde von der DASP-Kollaboration gefunden \cite{Dasp75}. Die 
Abb.~\ref{fig-psitop11}\index{DASP}
zeigt das Entdeckerbild des Prozesses.

\begin{figure}[t]
\begin{center}
\includegraphics[width=.8\textwidth]{bilder/psitop11}%
\twocolcaption[Charmonium]{Zerfall des $\psi$(2S) über einen
P-Wellen Charmonium-Zwischenzustand in das $J/\psi$, wobei jeweils ein Photon
hoher Energie ausgesandt wird. Die Energien der beiden Photonen sind 
$E_{\gamma 1}$ und $E_{\gamma 2}$. Wie in der Atomphysik
treten die Photonen bei festen Energien auf (\glq{}Spektrallinien\grq{}), nur dass
die Quantenenergien hier bei einigen 100~MeV liegen.\coltwo Im Bild sind die Energien
der beiden Photonen gegeneinander aufgetragen. Die zwei Häufungspunkte deuten
auf die Entdeckung von zwei Zwischenzuständen (angeregten 
Charmoniumzuständen) mit Massen von 3510~MeV und 3415~MeV. (Vortrag von 
Björn Wiik auf dem Lepton-Photon-Symposium in Stanford 1975, siehe die
Proceedings, Seite 69 ff.)\index{Charmonium}  }%
\label{fig-psitop11}%
\end{center}
\end{figure}

 Kurz darauf wurde dies von dem 
Heidelberg-DESY-Experiment bestätigt, das an Stelle von PLUTO in den 
Speicherring gerückt war. Nun musste man noch das neue schwere $c$\nobreakdash-Quark
direkt sehen, genauer seinen gebundenen Zustand mit einem der \glq{}alten\grq{}
leichten Quarks. Die Entdeckung dieses Teilchens, D-Meson genannt, teilten 
sich DASP und der Detektor \index{DESY-Heidelberg-Detektor}
Mark I am SLAC, wobei SLAC die Nase etwas vorn hatte. Mark I entdeckte den 
Zustand über seinen Zerfall in ein Kaon 
und ein Pion \cite{Gol76}, DASP wies den Zerfall vermöge der schwachen 
Wechselwirkung nach \cite{Dasp76}.
Dies war genau das, was man von der Theorie her erwarten musste. \addbigparskip

Diese Entdeckungen etablierten endgültig die Quarkvorstellung in den Köpfen
der Physiker, die so lange skeptisch gewesen waren. Die Quarks waren 
wenigstens in ihrer schweren Version \glq{}sichtbar\grq{} geworden, sie bildeten
\glq{}Quarkonium\grq{} genannte Atome, für die man sogar ein Termschema angeben
konnte. Es war wie ein Dammbruch. Charakteristisch dafür war, dass die
durch diese Entdeckungen inspirierten Untersuchungen damals \glq{}Neue Physik\grq{}
genannt wurden. \addbigparskip

Damit waren die Entdeckungen aber noch nicht zu Ende. Nun waren wieder die
Physiker vom SLAC am Zug. Sie berichteten über die Paarerzeugung eines
neuen Teilchens, von dem sie vermuteten, dass es sich um eine schwere Version 
des Myons handelte \cite{Perl75}. Die treibende Kraft dahinter war Martin 
Perl, der dafür später den Nobelpreis erhielt.  

 Das Myon, eine schwere Version des Elektrons, war 1936/37
von Neddermeyer und Anderson \cite{Ne37} in der kosmischen Strahlung entdeckt 
worden, und es hatte etwa die 200-fache Masse des Elektrons. Warum gibt es
so etwas? Niemand weiss es. Nun sollte es zu allem Überfluss ein weiteres
 elektronartiges Teilchen geben, das noch viel schwerer war, mit mehr als der 
3000fachen 
Elektronmasse (genauer mit einer Masse von 1,777~GeV). Zunächst herrschte 
Skepsis bei DESY (wie auch am SLAC): War das am Ende
einfach ein Zerfallsmodus des gerade eben entdeckten $D$-Mesons? Aber dann 
konnte
PLUTO bestätigen, dass es sich tatsächlich um ein neues schweres Elektron
handelte \cite{Plu77}, dem von seinen Entdeckern am SLAC der Name \glq{}tau-Lepton\grq{} 
gegeben wurde. \index{PLUTO}\index{tau-Lepton}  \addbigparskip

Ein Problem zeichnete sich Ende 1975 ab: Der Bau des PETRA-Speicherrings war 
genehmigt worden, und DORIS war als 
Vorbeschleuniger für PETRA
vorgesehen. Damit waren schwere Beeinträchtigungen für die Benutzer von 
DORIS
vorprogrammiert. Dies betraf vor allem auch die immer zahlreicheren
und anspruchsvolleren Nutzer der Synchrotronstrahlung. In dieser Situation 
ergriff der 
Wissenschaftliche Rat unter seinem Vorsitzenden  Volker Soergel die
Initiative. \index{Soergel} In der Sitzung am 22.\,11.\,1976 wurde eine 
Kommission bestehend aus \index{Wissenschaftlicher Rat}
den Professoren K. H. Althoff, H. Lehmann, H. E. Stier und K. Winter 
beauftragt, über die längerfristige Nutzung von DORIS zu beraten.
Am 1.\,3.\,1977 machte diese Kommission in der Sitzung des  Wissenschaftlichen 
Rats zwei wichtige 
Vorschläge: Eine Idee und einen Entwurf des DESY-Beschleunigerphysikers 
G. Mülhaupt aufgreifend 
schlugen sie einen \index{Mulhaupt@Mülhaupt}
Zwischenspeicherring vor, später PIA genannt, welcher die Injektion in PETRA
übernehmen sollte. Damit würde DORIS wieder vollständig für \index{PIA}
Experimente zur Verfügung stehen. Das Physikprogramm an DORIS konnte damit
 und sollte auch
weitergeführt und dazu sollte ein neuer Detektor mit Magnetfeld
gebaut werden. Diese letztere Empfehlung kurz vor der Entdeckung des 
$b$\nobreakdash-Quarks war ausgesprochen prophetisch. \addbigparskip

Das Jahr 1977 markiert eine wichtige Änderung im Betrieb des Speicherrings,
nämlich den Übergang zum Einzelringbetrieb. \index{DORIS als Einzelring}
 Der Doppelring hatte die in
ihn gesetzten Erwartungen nicht erfüllt, hauptsächlich deshalb, weil der
Kreuzungswinkel der beiden Strahlen im Wechselwirkungspunkt eine Quelle von
Instabilitäten war und die erreichbare Luminosität massiv begrenzte.
Außerdem führte die vertikale Ablenkung in der Wechselwirkungszone oberhalb 
von 3~GeV Strahlenergie zu einem starken Anstieg störender 
Synchrotronstrahlung bei den Experimenten.
Deshalb war bereits 1974 der Umbau von DORIS zum Einzelring erwogen worden. Im 
Dezember 1977 war der Umbau abgeschlossen. Dabei waren zusätzliche 
vertikale Ablenkmagnete
eingebaut worden, welche die Strahlen in die Mittelebene einlenkten, wo sie 
ohne Kreuzungswinkel aufeinander trafen. Damit verbunden war eine Erhöhung
der maximalen Strahlenergie von 3,5~GeV auf 4,2~GeV, ermöglicht durch den 
Einbau
weiterer Hochfrequenz-Beschleunigungsstrecken und einer Verstärkung der 
Strom- und Wasserversorgung der Magnete. Eine Änderung in der 
Rechnersteuerung
gestattete, die Magnete etwas in den Bereich der Sättigung zu fahren.
Damit war DORIS  für die Zukunft gerüstet, die auch sofort kommen sollte.
  \addbigparskip 

Denn im selben Jahr, 1977, erfolgte die nächste große Entdeckung, diesmal 
am Fermi National Accelerator \index{FNAL}\index{Lederman}
Laboratory (FNAL) in Batavia bei Chicago durch Leon Lederman und seine Gruppe.
In einem Experiment zur Myon-Paarerzeugung beobachteten sie ein 
resonanzähnliches Maximum des Wirkungsquerschnitts bei einer effektiven
Masse des Myonpaars von etwa 9,5~GeV \cite{Herb77}. In Analogie zu Tings 
Experiment
in Brookhaven signalisierte dies die Entdeckung eines fünften noch schwereren
Quarks mit einer Masse von etwa 5~GeV, das $b$ (wie \glq{}bottom\grq{}) genannt wurde. 
Eine genaue Untersuchung und Bestätigung seines Charakters als gebundener
Zustand eines $b$- Anti $b$ Paars erforderte wie im Fall des $J/\psi$ eine
Messung mit einem Speicherring. Konnte DORIS die nötige Schwerpunktenergie
von rund 10~GeV, also 5~GeV pro Strahl, erreichen? Die erste Antwort war 
\glq{}nein\grq{}. Aber dann fühlte \index{Deg\`ele} 
sich Donatus Deg\`ele herausgefordert und zusammen mit seinen Kollegen
 machten sie das \glq{}Unmögliche\grq{} möglich: Die 
Fokussierungsquadrupole in der Wechselwirkungszone 
 wurden um 80~cm vom Wechselwirkungspunkt weg verschoben;
wegen der größeren Fokussierungslänge kamen sie so bei der erhöhten 
Energie
mit derselben Feldstärke aus. Die Sextupol-Korrekturmagnete wurden neu
justiert, und um die nötige Beschleunigungsspannung zu erreichen, wurden
die Hochfrequenzsender aktiviert, die eigentlich für den neuen Speicherring
PETRA bestimmt waren. Außerdem wurde ein Rückkopplungssystem entwickelt, um 
mit den
neu auftretenden Strahl-Instabilitäten fertig zu werden. \addbigparskip 

All das funktionierte
am Ende blendend und im April/Mai 1978 konnte in den beiden am DORIS 
installierten Experimenten PLUTO \cite{Plu78} und DASP~II \cite{Da278} eine 
scharfe Resonanz bei 9,460~GeV \index{PLUTO}\index{DASP II}\index{LENA}
beobachtet werden sowie ein weiterer schmaler Zustand bei 10,023~GeV, den 
auch
Ledermans Gruppe schon gesehen hatte. Die DORIS-Messungen der Experimente
PLUTO, DASP~II und DESY-Heidelberg (LENA) zeigten in der Tat,
dass diese neue Resonanz, $\Upsilon$ (\glq{}Ypsilon\grq{}) genannt, sehr schmal war, wie 
erwartet,
wenn es sich dabei um den Bindungszustand eines neuen schweren Quarks handelte.
 Die DORIS-Experimente konnten 
sogar durch Beobachtung des Zerfalls des $\Upsilon$ in Myon- bzw. Elektronpaare
zeigen, dass das neue Quark die Ladung 1/3 hatte (Abb.~\ref{fig-upsilon}).  \addbigparskip
\index{Ypsilon Resonanz}

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics[width=\textwidth]{bilder/upsilon}%
\caption[Upsilon]{Nachweis der $\Upsilon$\nobreakdash-Resonanzen am DORIS-Speicherring.
 Die DESY-Messungen zeigen, dass die am FNAL entdeckten Resonanzen sehr
 schmal sind und auf die Entdeckung eines weiteren Quarks ($b$\nobreakdash-Quark) 
hinweisen. Messung der DESY-Heidelberg-Hamburg-München-Kollaboration (LENA)
\cite{Bie78} (auch gezeigt im CERN Courier Vol.18, 1978).}%
\label{fig-upsilon}%
\end{center}
\end{figure}



Eine weitere bedeutende Entdeckung gelang PLUTO bei der Untersuchung des
Zerfallsmechanismus der $\Upsilon$\nobreakdash-Resonanz. Bei einer Schwerpunktenergie
knapp oberhalb oder unterhalb der Resonanz zeigte sich in der Winkelverteilung
der erzeugten Teilchen eine deutliche Abweichung von der Isotropie und die
Tendenz der erzeugten Teilchen, in zwei Bündeln aufzutreten. Dies passte
zu dem Bild, dass bei der Elektron-Positron-Annihilation ein Paar (leichter)
Quarks entstand, die in Hadronen, meist Pionen, übergingen, die sich noch 
annähernd in der ursprünglichen Richtung der Quarks bewegten. Bei einer 
Energie
genau auf der $\Upsilon$\nobreakdash-Resonanz zeigte sich jedoch ein anderes Bild. Hier
war die Winkelverteilung der Zerfallsteilchen deutlich anders und näherte
sich mehr einer isotropen Verteilung an. Die Erklärung war, dass die
 $\Upsilon$\nobreakdash-Resonanz bevorzugt in Gluonen zerfallen sollte. Die Gluonen
sind die Quanten der starken Wechselwirkung und wie das Photon haben sie
Spin 1. Dann kann aber das $\Upsilon$ aufgrund der Erhaltungssätze nicht
in zwei, sondern nur in drei Gluonen zerfallen, die wiederum bevorzugt in 
Pionen
übergehen und naturgemäß ein nahezu isotropes Zerfallsmuster abgeben.
Dies kann als der erste direkte Hinweis auf die Spin 1-Natur der Gluonen
 gelten \cite{Plua78,Kra79}.\index{Gluon}


\section{DORIS II}
\index{DORIS II}
Im Jahre 1977 war die $\Upsilon$\nobreakdash-Resonanz entdeckt worden, und die
darauffolgenden Messungen am DORIS-Speicherring zeigten, dass es sich
tatsächlich um die Entdeckung eines neuen schweren Quarks, des $b$\nobreakdash-Quarks,
handelte. Das $\Upsilon$ ist ein gebundener Zustand aus einem
$b$\nobreakdash-Quark und seinem Antiteilchen, dem Anti-$b$\nobreakdash-Quark. Es ist also
eine Art schweres Quark-Atom analog zum $J/\psi$-Teilchen, das
aus einem $c$- und einem Anti-$c$\nobreakdash-Quark besteht. Es lag nun nahe, die 
Erfolgsgeschichte um die $J/\psi$\nobreakdash-Resonanz
mit der $\Upsilon$\nobreakdash-Resonanz zu wiederholen. Die $b$\nobreakdash-Quarks bilden mit den 
leichteren $u$-, $d$-, $s$\nobreakdash-Quarks
gebundene Zustände, die sogenannten $B$-Mesonen, die vermöge der
schwachen Wechselwirkung zerfallen. Diese neue Welt der $B$-Mesonen
galt es zu erforschen. Im Licht dieser Erkenntnis sind zwei wichtige
Entscheidungen der DESY-Direktoren zu sehen, die darauf abzielten,
den DORIS-Speicherring und die Experimente für diese Aufgabe zu
rüsten. \addbigparskip

Die erste Entscheidung betraf einen radikalen Umbau von DORIS.
 Hierbei verlangten die
 Nutzer der Synchrotronstrahlung lautstark
verbesserte Bedingungen und ein stärkeres Mitspracherecht beim Betrieb des
Speicherrings sowie Zuteilung von Zeit als Hauptbenutzer. Folglich durfte sie
 der Umbau
möglichst wenig stören und sollte ihre Bedingungen 
verbessern. Der Umbau sollte natürlich 
wenig kosten und auch den Verbrauch an elektrischer Energie deutlich senken.
Für die Hochenergiephysiker sollte der neue Speicherring eine höhere 
Luminosität haben
und eine Erweiterung des Energiebereichs bringen, welche eine 
Erforschung der Physik der $b$\nobreakdash-Quarks gestatten würde. 

 Die wesentlichen Ideen zur Lösung des Problems  kamen von Klaus Wille,
 \index{Wille}und er war auch für den Bau verantwortlich \cite{Desy81}. 
DORIS~II, so hiess die neue Maschine, war natürlich ein Einzelspeicherring, 
für den weitgehend Teile des
alten Speicherrings benutzt wurden. Die Magnete wurden radikal umgebaut und mit
neuen Polschuhen versehen. Die Magnetspulen der beiden Ringe wurden
kombiniert, so dass jeder neue Magnet eine Spule mit der doppelten Windungszahl
 erhielt.
 Diese Maßnahmen gestatteten die erforderliche Erhöhung der Strahlenergie
und außerdem
verringerte sich die für den Speicherring benötigte elektrische 
Leistung auf etwa die Hälfte. Abgesehen von einer Entlastung des DESY-Budgets
 war
dies nach der Zeit der ersten Energiekrise das richtige Signal. 

Der Umbau, 1981 begonnen, war
1982 nach nur 6 Monaten abgeschlossen. DORIS~II erreichte eine Strahlenergie 
von 5,6~GeV  und damit
eine Schwerpunktenergie von 11,2~GeV. Das war wichtig, weil
das leichteste Teilchen, das ein $b$\nobreakdash-Quark enthält, das $B$-Meson,
eine Masse von 5,279~GeV hat. Bei einer Schwerpunktenergie von 10,58~GeV
konnte man gerade an der Schwelle ein $B$-Anti-$B$-Paar erzeugen und hatte 
 bei einer geringfügig höheren Energie eine Resonanzstelle im 
Wirkungsquerschnitt und damit eine 
starke Quelle von $b$\nobreakdash-Quarks. \index{b-Fabrik} Durch den 
Einbau einer \glq{}mini-beta-Sektion\grq{}, d.h. durch
eine starke Strahlfokussierung durch Quadrupolmagnete nahe dem 
Wechselwirkungspunkt, erreichte DORIS~II eine im Vergleich zu DORIS
wesentlich höhere Luminosität. Am 9. Mai 1982 wurde DORIS~II in Betrieb
genommen und alles ging reibungslos. Ende 1982 wurde eine Luminosität von
 $1 \cdot 10^{31}$ / cm$^2$ s erreicht. \addbigparskip

Da um diese Zeit die Energiekrise sehr aktuell war, noch eine Anmerkung, 
wie man
damit umgeht. Das Forschungsministerium, das sich zu Aktionismus 
herausgefordert
fühlte, erörterte Maßnahmen wie Abwärmenutzung oder den Betrieb einer
Fischzuchthalle. Diese Dinge hätten jedoch mehr gekostet als eingespart.
Als wesentliche und nützliche Maßnahmen erwiesen sich dagegen der Umbau
von DORIS zu DORIS~II (Ersparnis Faktor 2 im Energieverbrauch der Magnete) und 
die Rechnersteuerung der 
Strahl-Einschusswege. Bei vergleichsweise geringen Kosten betrug die
Einsparung dort 30-40\%. Ein weiteres Einsparungspotential versprach die 
supraleitende Technologie, die das DESY nun stärker zu verfolgen begann. \addbigparskip

Die zweite wichtige Entscheidung betraf den Bau eines Detektors der 2.
Generation, wie
er vom Wissenschaftlichen Rat angeregt worden war. \index{ARGUS}
Damit beauftragte Schopper einen jungen Physiker, Walter Schmidt-Parzefall,
den er von Karlsruhe her kannte. Dieser Detektor erhielt den Namen 
 ARGUS\footnote{,\underline{A} \underline{R}ussian-\underline{G}erman-
\underline{U}nited States-\underline{S}wedish Collaboration\grq{}}. 
 Er hatte zur Spurmessung eine sehr gute \index{Schmidt-Parzefall} 2~m lange 
zylindrische Driftkammer
 mit ingesamt 60\,000 Drähten. In einem Solenoid-Magnetfeld konnten 
so geladene Teilchen genau gemessen werden. Ein exzellenter
 Schauerzähler (gebaut an der Universität
Dortmund) sorgte für den Nachweis von Photonen. Eine Besonderheit war auch 
die
Integration der mini-beta Quadrupolspulen und der Kompensationsspulen für das
Solenoidfeld in den Detektor. Nur so konnte eine hohe Luminosität des
Speicherrings erreicht werden. \addbigparskip 

Wer würde mit diesem Detektor arbeiten? Ein
Problem war die große Attraktivität des PETRA-Speicherrings. Das 
DESY-Direktorium bemühte sich, dieses Handicap auszugleichen und eine 
Mannschaft
unter Schmidt-Parzefall auf die Beine zu stellen. Sozusagen als Vorübung
übernahm diese Mannschaft den  DASP-Detektor, der von seinen 
ursprünglichen Betreibern
in Richtung PETRA verlassen worden war. Der DASP~II-Detektor, wie er nun hiess,
 wurde als erstes bei der Suche nach der $\Upsilon$\nobreakdash-Resonanz eingesetzt.
Den Bemühungen von Schmidt-Parzefall und Schopper gelang es dann, 
ausgehend von DASP~II eine
erstklassige internationale Kollaboration zustande zu bringen, zu der
neben Hamburg die Universitäten Dortmund, Heidelberg, Lund,  
South Carolina sowie die Hochenergieinstitute in Toronto und Moskau kamen.
Die Zusammenarbeit mit Moskau erwies sich wissenschaftlich und menschlich als
sehr erfreulich, politisch aber nicht. DESY waren aufgrund eines fehlenden
Vertrags über den wissenschaftlichen Austausch zwischen der Bundesrepublik 
und der UdSSR
solche Kollaborationen untersagt. Hier wandte DESY die Strategie der drei
weisen Affen an: \glqq{}Nichts sehen, nichts hören, nicht sprechen.\grqq{} 
\index{UdSSR} Ende November 1982 begann ARGUS mit den Messungen. \addbigparskip

Auch die zweite Wechselwirkungszone von DORIS~II wurde mit einem 
außergewöhnlichen Detektor besetzt, dem \glq{}Crystal Ball\grq{}.
 Dazu war es 
aufgrund eines Vertrags zwischen den beiden Konkurrenten SLAC und DESY
im Jahr 1981 gekommen. Der Crystal Ball, ursprünglich am SLAC eingesetzt,
war auf den Nachweis von Photonen spezialisiert. Mit 732 Kristallen
aus Natriumjodid war er nicht nur sehr teuer, sondern auch für den
Photonennachweis das beste Instrument dieser Art. Die Idee war, dieses
Instrument mit DORIS~II, dem besten Speicherring für $b$-Physik, zu
kombinieren. Das Ziel war die Erforschung des Spektrums von \glq{}bottonium\grq{},
den gebundenen Zuständen von $b$- und anti-$b$\nobreakdash-Quarks. Dieses Vorhaben war 
analog zur
Untersuchung von Atomspektren, nur dass hier die Photonenergien nicht einige
Elektronvolt sondern einige 100~MeV betrugen. Der SLAC-Direktor \glq{}Pief\grq{}
Panofsky organisierte mit seinen guten Verbindungen zur US-Regierung
den Transport des Crystal Ball von Kalifornien nach Hamburg. Die
US-Luftwaffe stellte dazu das Großraumflugzeug C5A \glq{}Galaxie\grq{}
 für den
Transport nach Frankfurt zur Verfügung. Das eigentliche Problem war sodann
der anschließende Transport nach Hamburg im April 1982. Auf dem Weg dorthin 
hatte der
Lastzug eine Panne, blieb liegen und damit fiel die Kühlung der empfindlichen
NaJ-Kristalle aus. Panik! Doch Gerhard Söhngen rettete
 \index{Sohngen@Söhngen} die Situation, indem er einen neuen Lastzug mit
passender US-Kupplung auftrieb. \addbigparskip
\index{Crystal Ball}\index{SLAC}  

Auch der Crystal Ball wurde von einer großen Kollaboration betrieben, mit 
Gruppen von CalTech, Cape Town,
Carnegie-Mellon, DESY, Erlangen, Florenz, Hamburg, Harvard, Krakau, Nijmegen,
Princeton, SLAC, Stanford und Würzburg. Dies war im wesentlichen
ein Zusammenschluss der Physiker, die den Crystal Ball am SLAC betrieben
hatten und einer europäischen Kollaboration, die ihren ursprünglichen
Kern in dem DESY-Heidelberg-Experiment hatte, das sich später zu der
LENA-Kollaboration weiterentwickelt hatte. Diese beiden Gemeinden mussten
erst einmal zusammenfinden, aber nach einiger Zeit \index{LENA}
gewöhnten sich alle aneinander.

\section{Experimente am DORIS II-Speicherring}
\index{b-Physik}\index{DORIS II}
Das Jahr 1983 sah den Beginn der regulären Datennahme am DORIS 
II-Speicherring. Ziel war 
zunächst die Untersuchung der drei gebundenen P-Wellen 
$b$- Anti-$b$-Zustände. 
Diese  Zustände zwischen dem $\Upsilon$ und 
dem höher angeregten
$\Upsilon$(2S) können anhand der bei ihrer Umwandlung emittierten
Gamma-Quanten identifiziert werden.
Unter raffinierter Ausnutzung der transversalen Polarisation 
von etwa 75 \% der Elektronen und Positronen in DORIS konnte 
die Crystal Ball-Kollaboration diese Untersuchungen 
durch die bis dahin noch ausstehende Messung der Spins der drei 
P-Wellen-Zustände  des $b-\bar{b}$-Systems krönen 
und damit die aus der QCD hergeleiteten Vorstellungen 
über die Hyperfein-Wechselwirkung im Quark-Antiquark-System 
 bestätigen.  Damit
war für das \glq{}Bottomium-Atom\grq{} ein ähnliches Termschema gefunden wie für
das aus $c$\nobreakdash-Quarks bestehende Charmonium. 

\index{Crystal Ball}
 Es folgte eine  Entdeckungstour durch die Physik der $c$- und $b$-
Quarks. Dabei hatte DORIS~II Konkurrenz vom 8~GeV CESR-Speicherring
der Cornell-Universität mit den Detektoren CLEO und CUSB, konnte sich 
aber gut
behaupten, weil der ARGUS-Detektor wohl etwas besser als sein
US-Gegenüber war. Aus der Fülle der Themen und Ergebnisse seien nur die 
folgenden
genannt: Untersuchung des $\Upsilon$ und $\Upsilon$(2S) und ihrer Zerfälle,
 Entdeckung des $F$*(2109)-Mesons, genaue Massengrenze des $\tau$-Neutrinos,
Entdeckung des $D^{*0}$(2420), Untersuchung von B-Zerfällen, Nachweis von
Baryonen mit Charme-Quantenzahl ($\Lambda_c$(2285)), Entdeckung des 
Charme-Baryons $\Lambda_c(2625)$, Nachweis von Antideuteronen(!) \cite{Alb90}
 und die genaue Bestimmung der Zerfallsparameter
und der Helizität des $\tau$-Leptons \cite{Alb92}. 

Mit einer unerwarteten Beobachtung sah sich 1984 das Crystal 
Ball-Experiment konfrontiert: Man fand Anzeichen für eine monochromatische 
\ensuremath{\gamma}-Linie 
im \ensuremath{\Upsilon}(1S)-Zerfall. Kein bekannter Prozess konnte so 
etwas erklären, man meinte auf etwas ganz Neues gestoßen sein. 
Die Spannung war groß, stand doch gerade die Internationale 
Hochenergiekonferenz in Leipzig bevor. In Abänderung des geplanten 
DORIS-Programms wurde eine sorgfältige Nachmessung in einem 
weiteren Messlauf auf der \ensuremath{\Upsilon}(1S)\nobreakdash-Resonanz durchgeführt. 
Leider bestätigten sich die Anzeichen für die \ensuremath{\gamma}-Linie 
nicht. \addbigparskip 

Die zwei  bedeutendsten Entdeckungen des DORIS~II-Programms
 wurden von der ARGUS-Kollaboration gemacht. \addbigparskip 

Die erste 
betrifft den Charme-losen $B$-Zerfall \cite{Alb88},
der auf dem Übergang eines
$b$\nobreakdash-Quarks in ein $u$\nobreakdash-Quark beruht. Er ist sehr selten und dementsprechend 
schwierig 
zu beobachten. Er ist aber wichtig, weil er ein Bestimmungsstück für die 
Elemente der Cabibbo-Kobayashi-Maskawa Matrix liefert, welche eine 
grundlegende 
quantenmechanische Eigenschaft der Quarks beschreibt. \addbigparskip 

Die Entdeckung der
$B$-$\bar{B}$-Mischung \cite{Alb87} zählt zu den wichtigsten Erfolgen von 
DESY. Sie beschreibt den durch eine quantenmechanische Interferenz verursachten
Übergang eines $B$-Mesons in das entsprechende Anti-$B$-Meson. 
\index{B-Anti-B-Mischung} Die 
Abb.~\ref{fig-bmixev} zeigt eine vom ARGUS-Detektor registrierte
Reaktion, bei der sich die Teilchen des Endzustandes vollständig
rekonstruieren ließen. Die ursprüngliche Reaktion muss beim Zerfall
der $\Upsilon(4S)$\nobreakdash-Resonanz nach den Erhaltungssätzen auf ein $B$-Meson
und ein Anti-$B$-Meson führen. Dieser Zustand verwandelt sich in diesem
Fall durch quantentheoretische Mischung in einen Zustand aus zwei $B$-Mesonen.
 Die zwei $B$-Mesonen werden durch ihren Zerfall identifiziert.

Diese Resultate der ARGUS-Kollaboration waren ein Höhepunkt 
der internationalen \glqq{}Lepton-Photon\grqq{}-Konferenz im Sommer 1987, die -- ein 
glückliches Zusammentreffen -- in diesem Jahr in Hamburg stattfand. 

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics[width=\textwidth]{bilder/bmixev}%
\caption[Upsilon]{Beim Zerfall der $\Upsilon(4S)$\nobreakdash-Resonanz entsteht durch
quantenmechanische Mischung ein Paar von $B$-Mesonen, die durch ihren
 Zerfall identifiziert werden. Diese Reaktion, registriert im ARGUS-Detektor,
 ist eine Evidenz für die $B$-$\bar B$-Mischung (DESY-Archiv).}%
\label{fig-bmixev}%
\end{center}
\end{figure}

 Damit wurde das Tor
zur Untersuchung der rätselhaften Verletzung der CP-Erhaltung bei $b$\nobreakdash-Quarks
aufgestoßen, die später an speziellen Speicherringen am SLAC  mit dem
Detektor BABAR und
in Japan am KEK  mit dem Belle-Detektor eingehend untersucht wurde.  

Die  Verletzung der Invarianz unter CP ist unter anderem
deshalb wichtig, weil es ohne sie keine herkömmliche Materie geben würde:
Nach den gängigen Vorstellungen waren beim Beginn der Welt im \glq{}big bang\grq{}
ursprünglich gleiche Mengen von Materie und Antimaterie vorhanden. Die 
CP-Verletzung
sorgt nun für eine (kleine) Unsymmetrie zwischen Materie und Antimaterie und
verhindert so, dass sich Materie und Antimaterie bis zum letzten Rest
gegenseitig vernichteten.

 Außerdem gestattete die Entdeckung eine
erste verlässliche Schätzung für die Masse des $t$\nobreakdash-Quarks (top-Quark), 
die sich als unerwartet groß herausstellte und damit eine
wichtige Hilfe für die spätere Suche nach diesem sechsten Quark war. 

Die Entdeckung der $B$-$\bar B$-Mischung wurde  1987 gemacht, in 
einem Jahr, in dem DORIS nicht 
für Messungen zur Verfügung stand, da das Synchrotron für den 
HERA-Betrieb umgebaut wurde. Vielleicht war aber gerade die dadurch erzwungene 
Muße einer diffizilen Analyse förderlich. \addbigparskip

Im Jahr 1990 begann der Umbau von DORIS zu DORIS~III, um den Nutzern der
Synchrotronstrahlung bessere Bedingungen zu bieten. In der Tat brachte der 
Umbau
den Nutzern der Synchrotronstrahlung große Vorteile. Das Gegenteil war 
für das ARGUS-Experiment der Fall. Die Luminosität der
modifizierten Maschine war geringer als erwartet, so dass keine kompetitive
Forschung mehr möglich war. ARGUS nahm deshalb nach Ende 1992 keine Daten 
mehr. Bis
 Mitte 1993 versuchten die Speicherring-Experten, doch noch einen akzeptablen
Wert der Luminosität zu erreichen, jedoch vergeblich. So wurden die Messungen
mit dem ARGUS-Detektor Mitte 1993 offiziell beendet. \addbigparskip

ARGUS war einer der 
erfolgreichsten Detektoren am DESY. Die maßgeblichen
Wissenschaftler wurden mit vielen Preisen ausgezeichnet. Walter
Schmidt-Parzefall, der langjährige Sprecher von ARGUS, erhielt 1995
den Gentner-Kastler Preis.\index{Schmidt-Parzefall}\index{Danilov}  Michail 
Danilov,
einer der führenden russischen Wissenschaftler der Kollaboration, 
 erhielt 1996 den Max-Planck-Forschungspreis und 1998
den Karpinskij-Preis der Töpfer-Stiftung, und
 Henning Schröder \index{Schröder} vom DESY wurde zusammen mit Yurj 
Zaitsev 1997 mit dem
 W. K. H. Panofsky Prize der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft für 
die Entdeckung der $B-\bar{B}$-Mischung ausgezeichnet. Eine 
Zusammenfassung der ARGUS-Ergebnisse erschien 1996 \cite{Arg96}.



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