Protonen-Experimente bestätigen Voraussagen des Standardmodells

Internationales Forschungsteam bestimmt mit großer Genauigkeit, wie das Proton an der schwachen Wechselwirkung teilhat

Ein internationales Forschungsteam hat mit großer Präzision die Rolle des Protons bei der schwachen Wechselwirkung - eine der vier fundamentalen Kräfte der Natur - bestimmt. Die Ergebnisse bestätigen theoretische Voraussagen und gibt dem Standardmodells der Teilchenphysik damit Recht. In dem Experiment wurde beobachtet, mit welcher Wahrscheinlichkeit Myonen von Protonen eingefangen werden - ein Prozess, der von der schwachen Wechselwirkung bestimmt wird.

Die Forscher haben darauf geachtet, nicht nur die zahlreichen technischen Fehlerquellen auszuschließen, sondern auch die "psychologischen". Durch ein trickreiches Verfahren konnten sie verhindern, dass sie sich bei der Auswertung der Messergebnisse unbewusst von den bekannten theoretischen Voraussagen beeinflussen ließen. Die moderne Beschreibung des untersuchten Prozesses beruht auf Ideen, die vor 50 Jahren vom amerikanischen Physiker Y. Nambu entwickelt wurden, der 2008 dafür den Physiknobelpreis erhalten hat.

Erst jetzt war es möglich, die theoretischen Vorhersagen mit der notwendigen Genauigkeit zu überprüfen. Das Projekt zeigt, dass die Teilchenphysik neben Experimenten an den großen Beschleunigeranlagen im Hochenergiebereich auch Untersuchungen mit hohen Teilchenzahlen braucht, für die das Paul Scherrer Institut (PSI) im Schweizer Villigen die besten Voraussetzungen bietet. Das Ergebnis ist im Fachjournal "Physical Review Letters" erschienen. Die American Physical Society (APS) hat das Ergebnis mit einer Zusammenfassung auf ihrer Webseite gewürdigt.

"Die schwache Wechselwirkung ist eine der vier Grundkräfte der Natur. Auch wenn sie nicht Teil unserer Alltagserfahrung ist, so ist sie doch an vielen wichtigen Vorgängen beteiligt wie der Energieerzeugung in der Sonne oder dem Zerfall von Teilchen", führt Klaus Kirch, Leiter des Labors für Teilchenphysik am PSI, aus. Zudem ist sie unverzichtbarer Bestandteil des Standardmodells, der zurzeit besten Beschreibung der Welt der Elementarteilchen. Nun hat ein internationales Forscherteam aus den USA, Russland, Belgien und der Schweiz genau untersucht, wie das Proton an der schwachen Wechselwirkung teilhat.

Verhalten lässt sich nicht exakt berechnen

Konkret hat man die "pseudoskalare Kopplung" bestimmt, eine der Kopplungskonstanten, die festlegen, wie stark die schwache Wechselwirkung für das Proton ist. Das Proton ist einer der fundamentalen Bausteine der Materie, die uns umgibt. Selbst besteht es aber aus weiteren Unterteilchen, den Quarks und Gluonen. Daraus ergibt sich ein komplexes Verhalten des Protons, das mit derzeitigen Computern nicht exakt zu berechnen ist. Es gibt aber angenäherte - effektive - Rechenverfahren, deren Berechnungen sehr gut mit den Ergebnissen des Experiments übereinstimmen.

In ihrem Experiment haben die Forscher untersucht, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Proton ein Myon einfängt - eine Reaktion, für die die schwache Wechselwirkung verantwortlich ist. Das Myon ist dem Elektron sehr ähnlich, aber etwa 200-mal schwerer und instabil - es zerfällt in rund zwei Millionstelsekunden in andere Teilchen. Genau so wie das Elektron in einem normalen Wasserstoffatom kann auch das Myon an das Proton gebunden werden. Da es aber deutlich schwerer ist, ist es viel näher am Proton, und so kann es leichter zu einer Einfangreaktion kommen. Das Proton wandelt sich dabei in ein Neutron um und das Myon in ein Neutrino.

Eigens entwickelte "Zeitprojektionskammer"

"Das Herzstück des Experimentes war eine "Zeitprojektionskammer", die in einem Behälter mit extrem reinem Wasserstoffgas eingebettet war. Mit dieser Kammer konnte die Spur jedes Myons dreidimensional bis zum Stopp aufgezeichnet werden - eine notwendige Grundbedingung für die hohe Präzision des Experiments. Die Kammer ist in einer Zusammenarbeit der Detektorengruppe und der technischen Dienste des PSI neu entwickelt worden", erklärt Malte Hildebrand, Forscher am PSI und Leiter der Detektorengruppe.

"In die Zeitprojektionskammer wurde jeweils ein einzelnes Myon hineingebracht", sagt Bernhard Lauss, Experimentalphysiker am PSI und neben Peter Kammel von der University of Washington-Seattle, Sprecher des Experiments, einer der beiden an den Forschungen beteiligten Österreicher. "Es verdrängte das Elektron aus einem der Wasserstoffatome und bewegte sich an dessen Stelle um das Proton - den Kern des Wasserstoffatoms." Nun kann das Myon zerfallen und ein Elektron aussenden, das von Detektoren registriert wird. Das ans Proton gebundene Myon kann aber auch vom Proton eingefangen werden und so auf noch einem weiteren Weg verschwinden.

Wegen dieser zusätzlichen Möglichkeit "lebt" ein Myon in der Nähe eines Protons im Mittel kürzer als ein freies Myon. Diese Lebensdauer bestimmt man, indem man die beim Zerfall entstehenden Elektronen beobachtet. Aus dem Vergleich dieser Lebensdauer mit derjenigen des freien Myons, die aus Messungen am PSI sehr genau bekannt ist, kann man die entsprechende Kopplungskonstante berechnen. (red, derStandard.at, 13.01.2013)