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Die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie

Neue Beschleuniger beginnen Verletzungen einer grundlegenden Symmetrie der Natur – der Ladungsparität – zu erforschen. Dabei wird sich herausstellen, ob das Standardmodell der Teilchenphysik zu erklären vermag, warum im Universum kaum Antimaterie existiert.


Mit den Augen des theoretischen Physikers betrachtet ist das Universum eine höchst unausgewogene Angelegenheit: Alle Objekte – Sterne, Planeten, Asteroiden – bestehen aus Materie; hingegen trifft man so gut wie nie Antimaterie an.

Beruht dieses Ungleichgewicht auf einem Zufall bei der Entstehung des Weltalls, oder folgt es notwendig aus einer bestimmten Asymmetrie der Naturgesetze? Nach Überzeugung der Theoretiker gilt letzteres: Zwischen dem Verhalten von Materie und Antimaterie existiert ein fundamentaler Unterschied; er äußert sich als Verletzung der sogenannten Ladungsparität. Nach jahrelangem Bemühen hat man zwar im Rahmen des herrschenden Standardmodells der Teilchenphysik eine Erklärung für diese Symmetrieverletzung gefunden, doch seltsamerweise ist ihr theoretisch vorhergesagtes Ausmaß zu gering, um das Übergewicht der Materie im Universum zu erklären: Offensichtlich ist das Standardmodell nicht perfekt.

Unser gesamtes bisheriges Wissen über die fundamentalen Eigenschaften der Materie steckt im Standardmodell. Es beschreibt Hunderte experimentell registrierter Teilchenarten und ihre Reaktionen mittels weniger Grundbausteine: sechs Quarks und sechs Leptonen. (Zu den Leptonen oder leichten Teilchen gehören Elektronen, Neutrinos und ihre Verwandten.) Zusätzlich gibt es zu jedem Quark und zu jedem Lepton ein Antiteilchen; es hat zwar dieselbe Masse, aber entgegengesetztes Vorzeichen für einige Quantenzahlen, beispielsweise die elektrische Ladung. Diese Grundbausteine lassen sich in drei Generationen mit zunehmenden Massen ordnen, wobei die Teilchen der ersten Generation die Grundlage der uns wohlvertrauten Materie bilden (siehe Kasten auf Seite 93).

Das Modell beschreibt dreierlei Wechselwirkungen zwischen Partikeln: die aus dem Alltag bekannte elektromagnetische sowie die starke und die schwache Wechselwirkung. (Bei Teilchen mit so geringen Massen darf man die Gravitationskraft getrost vernachlässigen.) Die starke Wechselwirkung hält die Quarks innerhalb zusammengesetzter Teilchen, etwa Protonen, fest gefangen; Quarks lassen sich deshalb nie einzeln beobachten. Die schwache Wechselwirkung hat hingegen vor allem destabilisierende Effekte und verursacht den langsamen Zerfall der massereicheren Quarks und Leptonen zu Endprodukten geringerer Masse.

Die Übertragung dieser drei Kräfte erfolgt ebenfalls durch Teilchen, die ihren Platz im Standardmodell einnehmen: das Photon, das Gluon sowie die W- und Z-Bosonen. Schließlich erfordert die Theorie noch die Existenz des hypothetischen Higgs-Teilchens; seine Wechselwirkung wird insbesondere dafür verantwortlich gemacht, daß Quarks und Leptonen bestimmte Massen haben.

Trotz aller Erfolge bei der Beschreibung grundlegender Eigenschaften der Materie läßt das Standardmodell einige wichtige Fragen offen. So verstehen die Physiker noch immer nicht, welcher Mechanismus die 18 Parameter des Modells festlegt. Nur wenn einige davon ganz bestimmte Werte annehmen, trifft die Theorie auf die uns bekannte Welt zu, und bisher weiß niemand, warum gerade diese Werte gelten müssen. Wir verstehen zum Beispiel nicht einmal, warum es just drei Generationen von Leptonen und Quarks geben soll und nicht weniger oder mehr. Und schließlich sind alle theoretischen Aussagen, die sich auf das Higgs-Teilchen beziehen, experimentell nicht überprüft. Falls seine Eigenschaften der Vorhersage des Standardmodells entsprechen, wird es sich bald mit dem gerade in Bau befindlichen Large Hadron Collider des CERN, des europäischen Labors für Teilchenphysik bei Genf, beobachten lassen. Vom Higgs-Teilchen erhofft man sich nicht zuletzt eine Erklärung für die Asymmetrie von Materie und Antimaterie.

Die Suche nach Symmetrien – und nach Erklärungen für ihre Brechung – ist ein Grundanliegen der modernen Physik. Man sagt, eine physikalische Theorie sei unter einer bestimmten Operation symmetrisch, wenn ihre Gesetze nach Ausführung dieser Operation, etwa einer Spiegelung, unverändert bleiben. Ein wichtiges Beispiel ist die sogenannte Paritätsumkehr, abgekürzt P, die ein Objekt in sein Spiegelbild verwandelt und zusätzlich um 180 Grad um eine Achse senkrecht zur Spiegelebene dreht (siehe Kasten auf Seite 94). Mathematisch ausgedrückt kehrt P die Richtung aller dem Objekt zugehörigen Vektoren um.

Eine Theorie ist P-symmetrisch, falls die physikalischen Gesetze in einer Welt mit entgegengesetzter Parität ebenso gelten wie in der wirklichen. Die Gesetze der Elektrodynamik bleiben in einem Universum mit umgekehrter Parität unverändert. Dasselbe gilt für die starke Wechselwirkung. Zwar lassen sich Elementarteilchen wie Quarks und Leptonen je nachdem, ob ihr Eigendrehimpuls oder Spin in Bewegungsrichtung oder entgegengesetzt orientiert ist, als rechtshändig oder linkshändig klassifizieren. Falls P-Symmetrie herrscht, macht das aber keinen prinzipiellen Unterschied.

Doch schon 1957 stellte die Physikerin Chien-Shiung Wu an der Columbia-Universität in New York in einem berühmten Experiment fest, daß nur linkshändige Partikel durch schwache Wechselwirkung zerfallen, rechtshändige nicht. Außerdem gibt es nach gegenwärtigem Wissensstand keine rechtshändigen Neutrinos; diese masselose Teilchenart ist stets linkshändig. Da Neutrinos nur über schwache Wechselwirkung mit dem übrigen Universum interagieren, schreibt man die Asymmetrie dem Wesen dieser Kraft zu. Demnach verletzt die schwache Wechselwirkung die Parität P.

Eine weitere grundlegende Symmetrie der Natur ist die Ladungskonjugation C. Diese Operation vertauscht die Quantenzahlen eines Teilchens gegen die seines Antiteilchens. Auch C wird von der schwachen Wechselwirkung verletzt: Antineutrinos kommen nicht linkshändig vor, sondern nur rechtshändig.

Die Kombination beider Operationen, die Ladungsparität CP, verwandelt alle Teilchen in Antiteilchen und kehrt zugleich die Richtung aller Vektoren um. Dabei werden linkshändige Neutrinos zu rechtshändigen Antineutrinos. Diese existieren nicht nur tatsächlich, sondern wechselwirken auch mit anderen Teilchen genau wie linkshändige Neutrinos. Demnach ist für Neutrinos zwar sowohl die Symmetrie der Parität als auch die der Ladungskonjugation gebrochen, aber die aus beiden kombinierte Ladungsparität bleibt erhalten.



Jenseits des Standardmodells



Zur großen Überraschung der Physiker erwiesen sich die Eigenschaften der CP-Operation als noch komplizierter. Ein schon 1917 von der deutschen Mathematikerin Emmy Noether (1882 bis 1935) bewiesenes Theorem besagt, daß zu jeder Symmetrie eine physikalische Erhaltungsgröße gehört. So folgt aus der Tatsache, daß die Raumzeit keine Richtung auszeichnet – das heißt aus ihrer Rotationssymmetrie – die Erhaltung des Drehimpulses. Dem Noetherschen Theorem zufolge müßte zur Ladungsparität, sofern sie eine exakt erhaltene Symmetrie der Natur wäre, eine Erhaltungsgröße gehören, die CP-Zahl.

Ein System aus einem Teilchen und seinem Antiteilchen, die sich mit gleicher Energie in entgegengesetzte Richtungen bewegen, ist CP-symmetrisch: Die CP-Operation verändert das Gesamtsystem nicht; nur seiner mathematischen Beschreibung wird ein konstanter Gesamtfaktor zugefügt – eben die CP-Zahl.

Sowohl C als auch P sind Operatoren, die bei zweimaliger Anwendung ein System wieder in den Ausgangszustand versetzen. Das heißt, es gilt C2 = P2 = 1 (wobei 1 den Einheitsoperator repräsentiert, der keinerlei Veränderung bewirkt). Demnach kann die CP-Zahl nur die Werte +1 oder -1 annehmen. Falls in der Natur perfekte Symmetrie hinsichtlich Ladungsparität herrschen würde, dürfte nach dem Noetherschen Theorem kein physikalischer Zustand mit der CP-Zahl -1 in einen Zustand mit +1 übergehen.

Entdeckung und Erforschung der CP-Verletzung hängen aufs engste mit der Teilchenfamilie der Mesonen zusammen. Jedes Meson ist zusammengesetzt aus einem Quark und einem Antiquark; somit enthält es gleichviel Materie wie Antimaterie. Als besonders wichtig erwiesen sich die K-Mesonen oder kurz Kaonen. Sie bestehen aus einem strange-Quark oder seinem Antiteilchen sowie einem up- oder down-Quark oder dessen Antiteilchen. Den Kaonen in vielerlei Hinsicht sehr ähnlich sind die B-Mesonen, die ein bottom- oder antibottom-Quark mit einem up- oder down-Partner verbinden.

Betrachten wir nun die elektrisch neutralen Kaonen K0, die aus einem down-Quark und einem antistrange-Quark bestehen, während das Anti-K0 sich aus einem antidown-Quark und einem strange-Quark zusammensetzt. Weil die CP-Operation Quarks mit Antiquarks vertauscht, würde sie jedes Kaon in sein Gegenteil überführen, statt es unverändert zu lassen. Daher hat keines der beiden K-Mesonen eine definierte CP-Zahl. Allerdings läßt sich theoretisch ein Paar von Kaonen mit eindeutig festgelegten CP-Zahlen schaffen, indem man die Wellenfunktionen eines K0 und eines Anti-K0 überlagert. Nach den Regeln der Quantenmechanik entsprechen die so entstandenen Gebilde echten Teilchen mit definierter Masse und Lebensdauer.

Die Erhaltung der CP-Zahl würde ein seltsames Detail erklären: Die beiden durch Kombination gebildeten Kaonen unterscheiden sich trotz scheinbarer Ähnlichkeit in ihrer Lebensdauer um das Fünfhundertfache (Bild 3). Das Kaon mit der CP-Zahl +1 kann sich in zwei Pionen verwandeln – einen Zustand mit derselben CP-Zahl. Dieser Zerfall geht sehr rasch vor sich, weil das Kaon massereich genug ist, um ohne weiteres zwei Pionen hervorzubringen. Doch das Kaon mit der CP-Zahl -1 muß wieder zu einem Zustand mit CP = -1 zerfallen, und das erfordert drei Pionen. Dieser Vorgang ist langwieriger, denn das Kaon hat kaum genügend Masse, um drei Pionen zu erzeugen. Die Entdeckung eines langlebigen Kaons zusätzlich zu einem schnell vergänglichen bedeutete ein starkes Indiz, daß die Kombinationskaonen tatsächlich der CP-Symmetrie gehorchen.

Dieses Bild wurde 1964 durch ein bahnbrechendes Experiment von James Christenson, James Cronin, Val Fitch und René Turlay am Brookhaven-Nationallaboratorium auf Long Island (US-Bundesstaat New York) zerstört. Sie beobachteten, daß rund eines von 500 langlebigen Kaonen (mit CP-Zahl -1) in zwei Pionen zerfällt. Wäre die Natur exakt CP-symmetrisch, dürfte das keinesfalls passieren. Kaum ein anderes Experiment der Teilchenphysik war eine größere Überraschung. Die Theoretiker konnten nicht einsehen, wie die CP-Symmetrie überhaupt verletzt werden konnte; ein noch größeres Rätsel schien ihnen, daß die Abweichung so gering war.

Im Jahre 1974 zeigten Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa von der Universität Nagoya (Japan), daß die Ladungsparität innerhalb des Standardmodells verletzt werden kann, sofern es drei oder mehr Quark-Generationen gibt. Allerdings waren damals nur zwei Generationen bekannt: die erste mit den Quark-Typen up und down und die zweite mit strange und charm. Daher fand diese Erklärung erst 1975 Interesse, als Martin L. Perl am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) in Kalifornien Tau-Leptonen nachwies – die ersten Teilchen der dritten Generation. Zwei Jahre danach entdeckte man am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in Batavia (Illinois) das bottom-Quark. Doch erst seit kurzem ist mit dem ebenfalls an Fermilab nachgewiesenen top-Quark die dritte Generation komplett (siehe "Der Nachweis des top-Quarks" von Tony M. Liss und Paul L. Tipton, Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1997, Seite 82).

Denkbar wäre zwar, daß das Universum quasi asymmetrisch entstand, das heißt von Anfang an viel mehr Teilchen als Antiteilchen enthielt. Doch ein solches Ungleichgewicht muß rasch ausgeglichen worden sein, sofern im frühen Universum irgendein Prozeß existiert hat, der die Baryonenzahl – das heißt die Anzahl der schwereren Teilchen minus der Anzahl ihrer Antiteilchen – zu verändern vermochte. Solche Prozesse sind gemäß bestimmten Erweiterungen des Standardmodells, den sogenannten Großen Vereinheitlichten Theorien, kurz nach dem Urknall sehr häufig gewesen. Die Theoretiker bevorzugen das andere Szenario, dem zufolge Teilchen und Antiteilchen im frühen Universum gleich häufig waren und die Teilchen erst während der Expansion und Abkühlung des Weltalls die Oberhand gewannen.



Das unausgewogene Universum



Der sowjetische Physiker Andrej Sacharow (1921 bis 1989) stellte drei Bedingungen für die Entwicklung dieser Asymmetrie auf. Erstens muß es fundamentale Prozesse geben, bei denen die Baryonenzahl nicht erhalten bleibt. Zweitens darf das Universum während seiner Ausdehnung kein thermisches Gleichgewicht erreichen; denn da im thermischen Gleichgewicht alle Zustände gleicher Energie mit gleich großen Teilchenpopulationen besetzt sind und Teilchen die gleiche Masse oder Energie haben wie ihre Antiteilchen, würden beide mit gleicher Häufigkeit entstehen. Drittens muß die CP-Symmetrie – im Grunde die Balance zwischen Materie und Antimaterie – verletzt werden. Sonst würde jeder Prozeß, der die Menge der Materie verändert, von einem spiegelbildlichen Effekt für Antimaterie ausgeglichen.

Die vorherrschende Theorie besagt, daß bei der Entstehung des Universums das Quantenfeld des Higgs-Teilchens überall null war. Dann entstand irgendwo eine Blase, in der das Higgs-Feld seinen heutigen von null verschiedenen Wert annahm. Außerhalb der Blase waren Teilchen und Antiteilchen masselos; doch innerhalb traten sie mit dem Higgs-Feld in Wechselwirkung und erwarben dadurch Masse. Während die Blase wuchs, drangen Teilchen und Antiteilchen durch ihre Oberfläche ein, und zwar wegen der CP-Verletzung unterschiedlich häufig. Jedes Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie, das außerhalb der Blase erzeugt worden war, wurde schnell durch Prozesse ausgeglichen, welche die Baryonenzahl veränderten.

Doch da solche Prozesse innerhalb der Blase extrem selten waren, wurde das Ungleichgewicht gleichsam eingefroren. Als die expandierende Blase das gesamte Universum erfüllte, enthielt sie somit mehr Teilchen als Antiteilchen. Schließlich kühlte das Universum so weit ab, daß bei Kollisionen weder Teilchen noch Antiteilchen mehr entstehen konnten; vielmehr löschten sie einander bei jeder Begegnung aus.

Leider ergeben theoretische Berechnungen dieses Szenarios ein Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie, das um viele Größenordnungen zu klein ausfällt. Offenbar gibt es weitere Arten der CP-Symmetriebrechung; das würde bedeuten, daß das Standardmodell unvollständig ist.

Ein vielversprechender Ort für die Suche nach neuen CP-Verletzungen sind die B-Mesonen. Dem Standardmodell zufolge müssen die Zerfälle des B0 und des Anti-B0 hochgradig asymmetrisch sein. Das B0 besteht aus einem an ein antibottom-Quark gebundenen down-Quark, während ein Anti-B0 aus einem antidown und einem bottom zusammengesetzt ist. Die B-Mesonen verhalten sich sehr ähnlich wie die oben erörterten Kaonen: Die beobachteten B-Mesonen bestehen aus gewissen Mischungen von B0 und Anti-B0.

Wenn man ein B0-Meson von seinem Entstehungszeitpunkt an verfolgt, so trifft man schon kurz danach dasselbe Teilchen nur noch mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit an, hingegen mit einiger Wahrscheinlichkeit sein Antiteilchen, das Anti-B0. Das ist ein typisches Quantenphänomen: Der Mesonenzustand oszilliert zwischen einer bestimmten Quark-Antiquark-Kombination und dem entsprechenden Antiteilchen.

Um CP-Verletzungen zu untersuchen, muß man Zerfälle von B0-Mesonen in Endzustände mit definierter CP-Zahl untersuchen. Wenn der Zerfall je nachdem, ob er von einem B0 oder einem Anti-B0 ausgeht, verschieden schnell abläuft, gibt dieser Unterschied das Ausmaß der CP-Verletzung im untersuchten System an. Die vorhergesagte Rate asymmetrischer Zerfälle liegt diesmal allerdings nicht in der geringen Größenordnung von 1 zu 500 wie beim K0-Zerfall, sondern dürfte sogar ein Mehrfaches der symmetrischen Zerfallsrate betragen.

Da die Alternativen zum Standardmodell oft weitere Quellen für CP-Verletzungen enthalten – wobei manchmal zusätzliche Higgs-Teilchen im Spiel sind –, läßt sich aus ihnen praktisch jeder beliebige Wert für das Ungleichgewicht im B0-Zerfall herleiten. Erst exakte Messungen des Asymmetriemusters werden eine Auswahl unter den Modellen ermöglichen.

Nach der Entdeckung des bottom-Quarks stellte sich heraus, daß seine Masse rund 5 Gigaelektronenvolt (GeV, Milliarden Elektronenvolt) beträgt, was etwa der fünffachen Protonenmasse entspricht. Daraus schlossen die Theoretiker, die Erzeugung zweier B-Mesonen würde eine Energie von etwas mehr als 10 GeV erfordern; denn die ebenfalls darin enthaltenen down- oder antidown-Quarks sind viel leichter. Zu Beginn der achtziger Jahre richtete man darum den Elektron-Positron-Speicherring der Cornell-Universität in Ithaca (US-Bundesstaat New York) – er läßt gegenläufig beschleunigte Elektronen und Positronen frontal zusammenprallen – so ein, daß bei einer Elektron-Positron-Paarvernichtung ein Energiebetrag von 10,58 GeV freigesetzt wurde. Wie erwartet ist der Vorgang eine reiche Quelle für B-Mesonen: Bei ungefähr einer von vier Paarvernichtungen entstehen ein B-Meson und sein Antiteilchen, ohne daß dabei noch andere Partikel erzeugt würden.

Am SLAC maß man 1983 eine unerwartet hohe Lebensdauer der B-Mesonen von 1,5 Pikosekunden (billionstel Sekunden). Dieser relativ große Wert erhöht die Wahrscheinlichkeit, daß ein B0 sich vor seinem Zerfall in ein Anti-B0 verwandelt, und erleichtert dadurch die Beobachtung von CP-Asymmetrien. Außerdem stellte man 1987 am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg fest, daß die Mischungswahrscheinlichkeit des B-Mesons mit seinem Antiteilchen 16 Prozent beträgt; dies läßt weit größere Asymmetrien erwarten als bei K0. Allerdings treten diese ausgeprägten Asymmetrien nur bei den relativ seltenen Zerfällen von B-Mesonen auf. Das heißt, man braucht große Mengen dieser Teilchen, um CP-Verletzungen genauer untersuchen zu können.

Gegenwärtig werden in Kalifornien und Japan zwei neue Teilchenbeschleuniger fertiggestellt, die speziell CP-Verletzungen untersuchen sollen; damit will man feststellen, ob das Standardmodell ergänzt oder gar ersetzt werden muß. Die Beschleuniger werden große Scharen von B-Mesonen produzieren, einer aus einem Quark und einem Anti-Quark zusammengesetzten Teilchenart (Bild 2). Diese B-Mesonen-Fabriken sind die neuesten experimentellen Mittel, um zu einer Physik jenseits des Standardmodells vorzudringen (Bild 1).

Bei einem Arbeitstreffen in Snowmass (Colorado) stand 1988 das Higgs-Teilchen im Mittelpunkt. Einige Teilnehmer diskutierten auch über die CP-Verletzung, insbesondere bei B-Mesonen. Man kam überein, daß das B-Meson sich mit einem auf 10,58 GeV eingestellten Elektron-Positron-Speicherring besonders gut studieren ließe, wenn Elektronen- und Positronenstrahl unterschied-liche Energie hätten. Diese Besonderheit würde die Messung der Lebensdauer eines B-Mesons erleichtern. Dessen Entstehungs- und Zerfallsort erkennt man im Experiment an Teilchenspuren im Detektor. Die Lebensdauer ergibt sich, indem man den Abstand beider Punkte durch die errechnete Geschwindigkeit des Mesons dividiert. Doch ein normaler Elektron-Positron-Speicherring mit 10,58 GeV erzeugt zwei fast ruhende B-Mesonen; die bis zum Zerfall zurückgelegten Wegstrecken sind daher extrem kurz.

Wie nun Pier Oddone vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley (Kalifornien) hervorhob, bewegen die B-Mesonen sich schneller, wenn sie von Elektronen und Positronen unterschiedlicher Energie erzeugt werden. Hat der Elektronenstrahl beispielsweise eine Energie von 9,0 GeV und der Positronenstrahl nur 3,1 GeV, so erreichen die B-Mesonen halbe Lichtgeschwindigkeit und legen vor ihrem Zerfall immerhin rund 250 Mikrometer (ein Viertel Millimeter) zurück – genug für eine recht genaue Messung der Lebensdauer.

Demnach braucht man eine Anlage mit zwei separaten Speicherringen, die Elektronen und Positronen unterschiedlich stark beschleunigen. Beide Ringe müssen sehr intensive Teilchenstrahlen erzeugen, damit eine hohe Kollisionsrate garantiert ist. Solche Maschinen heißen seit einiger Zeit asymmetrische B-Mesonen-Fabriken: asymmetrisch wegen der unterschiedlichen Energien und Fabriken aufgrund der großen Menge an B-Mesonen, die darin entstehen.

In mehreren Laboratorien sind Konstruktionen entwickelt worden, die rund 30 Millionen B-Mesonenpaare pro Jahr erzeugen können. Im Jahre 1993 bewilligten das US-amerikanische Energieministerium und die japanische Behörde Monbusho je ein Projekt am SLAC in Kalifornien und bei KEK, dem Nationalen Labor für Hochenergiephysik in Tsukuba (Japan). Das SLAC-Projekt nutzt den vorhandenen Lineartunnel, um Elektronen und Positronen zu beschleunigen. Anschließend kreisen sie in separaten Ringen, die eigens in einem 20 Jahre alten Tunnel installiert werden, und kollidieren schließlich an einem Kreuzungspunkt. Der Bau der Anlage kostet 177 Millionen Dollar. Auch das japanische Projekt nutzt vorhandene Tunnels, in denen zuvor der Tristan-Beschleuniger untergebracht war.

Gegenwärtig wird ein großes Experiment vorbereitet, das die seltenen Zerfallsereignisse von B-Mesonen zu erkennen und ihre Positionen mit der erforderlichen Genauigkeit von 80 Mikrometern zu messen vermag. Diese Präzision läßt sich nur mit Siliciumstreifen-Detektoren erreichen, die schon beim Nachweis des top-Quarks hilfreich waren (siehe "Siliciumstreifen-Detektoren" von Alan M. Litke und Andreas S. Schwarz, Spektrum der Wissenschaft, August 1995, Seite 54). Dabei suchen die Experimentatoren möglichst jedes bei einem B-Mesonen-Zerfall erzeugte Teilchen zu identifizieren, um die seltenen Ereignisse herauszuklauben, an denen sich die Ladungsparitätsverletzung studieren läßt.

Im BABAR-Detektor, der gerade am SLAC gebaut wird, ist die innerste Schicht ein Siliciumstreifen in Form eines Hohlzylinders von 60 Zentimeter Länge und etwa 30 Zentimeter Durchmesser. Äußere Schichten sollen Energie, Geschwindigkeit und Durchschlagskraft jedes entstandenen Teilchens messen, um daraus die ursprünglichen Ereignisse zu rekonstruieren (Bild 4). Mehr als 500 Mitarbeiter – inklusive der Autoren dieses Artikels – von 70 Institutionen in neun Ländern beteiligen sich am Bau des Detektors und an den Kosten von 85 Millionen Dollar; aus Deutschland nimmt unter anderem das Institut für Kern- und Teilchenphysik der Technischen Universität Dresden teil. Auch die BELLE-Kollaboration, die das japanische Experiment vorbereitet, ist international zusammengesetzt und hat Mitglieder aus zehn Staaten. Beide B-Mesonen-Fabriken sollen noch vor Ende 1998 fertig werden und im Frühjahr 1999 erste Daten liefern.

Beim B-Mesonenzerfall erwartet man außer den Verletzungen der Ladungsparität, die auf quantenmechanischen Mischzuständen beruhen, noch weitere CP-Symmetriebrüche, die schwerer vorherzusagen sind. Dafür werden der Elektron-Positron-Speicherring und der Detektor der Cornell-Universität entsprechend ausgebaut. Auch an Protonenbeschleunigern in aller Welt werden Experimente zur B-Mesonenphysik vorbereitet, so HERA-B bei DESY in Hamburg und LHC-B bei CERN.

Die B-Mesonen-Fabriken werden entweder mit letzter Gewißheit bestätigen, daß das Standardmodell zutrifft, und mithelfen, die fehlenden Parameter zu bestimmen – oder sie werden zeigen, daß die Daten nicht mit den Vorhersagen des Modells in Einklang zu bringen sind, ungeachtet der Wahl der Parameter. Die experimentellen Resultate könnten sogar ganze Klassen von Modellen jenseits des Standardmodells ausschließen und dadurch den Theoretikern die Suche nach einem würdigen Nachfolger erleichtern. Dabei wird sich wohl auch die Frage klären, warum unsere Welt so unsymmetrisch ist, daß sie nur aus Materie besteht.

Literaturhinweise

– Teilchen, Felder und Symmetrien. Zweite Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1995.
– Symmetrie und Symmetriebrechung in der Physik. Von Henning Genz und Roger Decker. Vieweg, Braunschweig 1991.
– The Character of Physical Law. Von Richard Feynman. MIT Press, 1965.
– Fearful Symmetry: The Search for Beauty in Modern Physics. Von A. Zee. Macmillan Publishing, 1986.
– The Physics of Time Reversal. Von Robert G. Sachs. University of Chicago Press, 1987.
– The New Ambidextrous Universe: Symmetry and Asymmetry from Mirror Reflections to Superstrings. Von Martin Gardner. W. H. Freeman, 1990.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 12 / 1998, Seite 90
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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