Im Herbst 1993 stoppte der amerikanische Kongreß den bereits begonnenen Bau des Supraleitenden Super-Colliders (SSC) in Texas, mit dem nach Teilchen der subatomaren Welt gefahndet werden sollte, die nur weit jenseits der heute erreichbaren Beschleunigerenergien nachzuweisen wären. Die Energie des Großen Hadronen-Colliders (LHC), der voraussichtlich zu Beginn des kommenden Jahrhunderts am Europäischen Laboratorium für Teilchenphysik CERN in Meyrin bei Genf in Betrieb gehen wird, ist den Planungen zufolge nur halb so groß wie die für den SSC vorgesehene. Wie können die Physiker unter diesen Umständen ihre Suche nach den schweren Partikeln fortsetzen, mit denen sie ihren Elementarteilchentheorien Logik und Symmetrie zu verleihen hoffen?

Die Natur selbst bietet gleichsam ein Schlupfloch an: Wechselwirkungen, die nach dem Standardmodell der Teilchenphysik vorstellbar und damit verträglich sind, in der Praxis aber nie beobachtet werden – beispielsweise der Zerfall eines strange-Quarks in ein down-Quark. Ein solcher Prozeß kann sich im Prinzip auf mehrere Arten ereignen, die sich jedoch gegeneinander aufheben und ihn damit unbeobachtbar machen; er ist – wie die Physiker sagen – verboten.

Gleichwohl könnte es Teilchen geben (die wir freilich noch nicht kennen), die eine solche Wechselwirkung vermitteln, indem sie von einem Reaktionspartner zum anderen übergehen. Mit immer genaueren Untersuchungen könnte es eines Tages gelingen, ein schwaches Indiz dafür zu finden. Hilfreich dabei wäre gerade, daß die aus dem Standardmodell zu erwartenden Wahrscheinlichkeiten für solche Ereignisse gleich null sind; denn während eine winzige Abweichung von einem großen (und gewöhnlich nicht präzise meßbaren) Wert zumeist nur schwer zu erfassen ist, läßt sich eine solche von null verhältnismäßig leicht aufdecken. Bereits die einmalige Beobachtung einer verbotenen Wechselwirkung wäre nämlich ein Hinweis auf das Vorhandensein eines unbekannten Teilchens, womit das Standardmodell erweitert würde.

Eine Gruppe derartiger Wechselwirkungen sind sogenannte flavor-ändernde neutrale Ströme. Wenngleich sie (bis vor kurzem) nicht beobachtet wurden, müßten neue und exotische Teilchen mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit solche neutralen Ströme erzeugen, die sich mit äußerst empfindlichen Experimenten nachweisen lassen sollten. Möglicherweise ist es bereits gelungen, erste Hinweise auf Teilchen zu erhaschen, die das Standardmodell noch nicht berücksichtigt.

Üblicherweise suchen die Physiker nach zusätzlichen Bausteinen des Standardmodells, indem sie bekannte Teilchen in Beschleunigern auf hohe Geschwindigkeiten bringen und aufeinanderprallen lassen. Dabei entstehen aus der Energie, die bei der Kollision frei wird, häufig noch unbekannte Partikel. Die Beschleunigerleistung setzt jedoch eine Grenze für die Masse der so detektierbaren Teilchen. Auch hier bieten flavor-ändernde neutrale Ströme einen Vorteil. Denn in der Regel reagieren exotische Teilchen um so häufiger mit bekannten, je größer ihre Masse ist; selbst wenn sie in Beschleunigern nur mit erheblichem Aufwand erzeugt werden können, sind sie aufgrund ihrer niederenergetischen Effekte verhältnismäßig leicht aufzuspüren.

Die schwache Kraft: Ursache von Quark-Umwandlungen

Die bekannten fundamentalen Teilchen gruppieren sich dem Standardmodell zufolge in Leptonen – zu denen das Elektron, das Myon und das Tau sowie jeweils ein zugehöriges Neutrino gehören – und Quarks, die es in sechs sogenannten Flavors (englisch für Geschmacksrichtungen, eine willkürliche Typenbezeichnung) gibt: up (u), down (d), strange (s), charm (c), bottom (b) und top (t). Hinzu kommen noch einige Austauschteilchen, die Eichbosonen, welche die Kräfte zwischen diesen Grundbausteinen – die elektromagnetische, schwache und starke Kraft – übertragen (Bild 3). Die Masse der Quarks nimmt in der genannten Reihenfolge zu. Wegen der Erhaltung von Masse und Energie kann ein schweres Quark in ein leichteres zerfallen, nicht jedoch umgekehrt. Up- und down-, strange- und charm- sowie bottom- und top-Quarks sind jeweils quasi eng miteinander verwandt und werden darum zu sogenannten Familien zusammengefaßt. Aus dem leichtesten Paar – up und down – sind die Bestandteile der gewöhnlichen Atomkerne, die Protonen und Neutronen, aufgebaut. Die Quarks sind elektrisch geladen; innerhalb jeder Familie weist jeweils eines +2/3 einer Elementarladung auf (up, charm und top), das andere -1/3 (down, strange und bottom). Zu jedem Quark und zu jedem Lepton gibt es ein Antiteilchen, das mit seinem Gegenstück bis auf die entgegengesetzte Ladung völlig identisch ist. Quarks können sich ineinander umwandeln, indem sie Eichbosonen aussenden beziehungsweise einfangen. Für die schwache Kraft, die dabei eine Rolle spielt, gibt es drei derartige schwere Austauschteilchen: das neutrale , das positive und das negative (die hochgestellten Indizes kennzeichnen die Ladung, nämlich 0, +1 und -1 Elementarladungen). So kann sich beispielsweise ein down- in ein up-Quark umwandeln, indem es ein aussendet, das die überschüssige Ladung davonträgt. Immer dann, wenn bei der schwachen Wechselwirkung wie in diesem Falle ein geladenes Teilchen (hier ein ) ausgetauscht wird, sprechen die Physiker von einem geladenen Strom. Reagiert hingegen ein Quark mit sich selbst, indem es ein aussendet und wieder absorbiert, bezeichnet man dies als schwachen neutralen Strom (weak neutral current, WNC; Bild 1). Wie erwähnt, wurde jedoch noch nie der Zerfall eines strange- in ein down-Quark beobachtet. Weil sich bei diesem Prozeß der Quark-Typ – also der Flavor – ändern würde, die Ladung aber dieselbe bliebe, würde er über einen sogenannten flavor-ändernden neutralen Strom (flavor-changing neutral current, FCNC) vonstatten gehen müssen. Aus dem Fehlen derartiger Wechselwirkungen haben die Physiker in der Vergangenheit, als nur up-, down- und strange-Quarks sowie später auch das bottom-Quark experimentell bestätigt waren, auf das Vorhandensein zweier weiterer Quarks – charm- und top – geschlossen. Als sie gegen Ende der sechziger Jahre bemerkt hatten, daß in keinem der bis dahin angestellten Beschleunigerexperimente flavor-ändernde neutrale Ströme auftraten, vermochten sie dies nicht zu erklären. Erst kurz zuvor hatten Steven Weinberg, heute an der Universität von Texas in Austin, und Abdus Salam vom Internationalen Zentrum für Theoretische Physik in Triest (Italien) unabhängig voneinander die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung entwickelt, wobei sie auf wichtige Vorarbeiten von Sheldon Glashow von der Harvard-Universität in Cambridge (Massachusetts) zurückgriffen: Sie faßten die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung zu einer vereinheitlichten Theorie zusammen und sagten das Vorhandensein der schweren Teilchen , und als Träger der schwachen Kraft vorher (nach experimenteller Bestätigung ihrer Hypothese wurde allen drei Wissenschaftlern 1979 der Physik-Nobelpreis verliehen). Diese Partikel sollten damit ihrem Wesen nach dem masselosen Photon ähneln, das die elektromagnetische Kraft überträgt. Die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung, die sich während der folgenden Jahre glänzend bestätigte, erforderte nun das Vorhandensein von neutralen Strömen mit dem Austausch eines . Dieses ungeladene Trägerteilchen sollte eigentlich – wie die Forscher vermuteten – außer anderen Wechselwirkungen auch den Zerfall eines strange- in ein down-Quark vermitteln können. Ein 1963 am Lawrence-Berkeley-Laboratorium in Kalifornien durchgeführtes Experiment, an dem auch ich mitwirkte, hatte keinen Hinweis auf einen derartigen Prozeß erbracht. Uns war damals noch nicht bewußt, daß wir nach einem verbotenen Vorgang, eben einem flavor-ändernden neutralen Strom, fahndeten. Wir schlossen lediglich aus unseren Versuchsergebnissen, daß es solche Ströme nicht gebe. Die einzigen damals bekannten Quarks waren up, down und strange. Im Jahre 1970 erkannten Glashow, John Iliopoulos von der École Normale Supérieure in Paris und Luciano Maiani von der Universität Rom, daß ein viertes Quark – sofern es existierte – Quarkzerfälle mit dem neutralen Trägerteilchen unterdrücken könnte. Dies vermochte unseren früheren Befund zu erklären. Zudem wären unter dieser Voraussetzung die von der Theorie geforderten schwachen neutralen Ströme möglich, bei denen sich der Flavor nicht ändert. Weil ein solches – wenngleich noch hypothetisches – viertes Quark ein Dilemma der Physiker auf elegante Weise zu lösen schien, nannten sie es charm (englisch für Charme, Zauber, Anmut).

Exotische Teilchen und Wechselwirkungen

In der Zwischenzeit hatten Wissenschaftler am CERN und am Fermilab, dem Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia (Illinois), nach schwachen neutralen Strömen in Prozessen mit Neutrinobeteiligung gesucht. Neutrinos vermögen nur schwach mit anderen Teilchen und untereinander lediglich über schwache neutrale Ströme in Wechselwirkung zu treten. Eines der Schlüsselexperimente lieferte eine Zeitlang nichts als widersprüchliche Ergebnisse, so daß viele Physiker bereits zu lästern begannen, es seien "neutrale Wechselströme" entdeckt worden. Im Jahre 1973 jedoch gelang es in beiden Experimenten, die gesuchten schwachen neutralen Ströme nachzuweisen: Die beobachteten Neutrino-Wechselwirkungen ließen sich nur erklären, wenn es das prognostizierte neutrale Trägerteilchen der schwachen Kraft wirklich gab. Ein Jahr später fand sich am Fermilab der erste vage Hinweis auf das charm-Quark. In größerer Anzahl wurde dieser vorhergesagte vierte Typ schließlich 1976 am Linearbeschleuniger in Stanford (Kalifornien) erzeugt – das war der Beweis, daß Glashow, Iliopoulos und Maiani mit ihrer Vorhersage recht hatten. Deren Erklärung für das Fehlen der flavor-ändernden neutralen Ströme – nach den Anfangsbuchstaben ihrer Namen GIM-Mechanismus genannt – hat sich mittlerweile als viel allgemeingültiger erwiesen als erwartet: Innerhalb jeder Familie hindert das eine Quark das andere am Zerfall über einen flavor-ändernden neutralen Strom. Das top-Quark wurde – ähnlich wie zuvor das charm-Quark – vorhergesagt, weil nie der Zerfall von bottom in strange oder down beobachtet werden konnte. Da jeweils zwei Quarks in einer Familie vorkommen, würden sich flavor-ändernde neutrale Ströme innerhalb des Standardmodells nur schwerlich erklären lassen. Nur sehr selten können die schweren Quarks den GIM-Mechanismus verletzen, der am ehesten für die leichten Quarks gilt. Diese seltenen Wechselwirkungen – wie übrigens auch alle anderen Reaktionen zwischen Teilchen – lassen sich am besten anhand einer graphischen Darstellung veranschaulichen, die der amerikanische Physiker Richard P. Feynman (1918 bis 1988) ersonnen hat. In solchen Feynman-Diagrammen stellt man Quarks und Leptonen als gerade, Eichbosonen als geschlängelte Linien dar. Reagieren zwei Teilchen beim Stoß miteinander, treffen sich ihre Linien; zerfällt ein Partikel, teilt sich die entsprechende Linie in zwei auf (Kasten auf den Seiten 42 und 43). Flavor-ändernde neutrale Ströme unter Mitwirkung eines top-Quarks können nun bei sogenannten Pinguin-Zerfällen auftreten, von denen man bisher freilich nur sehr wenige beobachtet hat. (Die zugehörigen Feynman-Graphen weisen – mit etwas Phantasie – die Gestalt dieses antarktischen Vogels auf. Der Name geht auf eine kuriose Wette zwischen John Ellis, Physiker am CERN, und seiner Kollegin Melissa Franklin, nun an der Harvard-Universität, zurück; siehe Spektrum der Wissenschaft, April 1994, Seite 24.) Das Pinguin-Diagramm hat viele Varianten; meist wird der Zerfall von exotischen Teilchen vermittelt. Solche noch unbekannten Partikel werden von Theorien verlangt, welche die Unzulänglichkeiten des Standardmodells zu korrigieren versuchen. Dieses Modell vermag zum Beispiel nicht zu erklären, warum die fundamentalen Bausteine der Materie höchst unterschiedliche Massen haben. So ist das top-Quark etwa 30000mal schwerer als das up-Quark, das einen der Hauptbestandteile gewöhnlicher Materie darstellt. Man vermutet, daß die Masse von Teilchen von der Stärke ihrer Wechselwirkung mit dem (ebenfalls von der elektroschwachen Theorie vorhergesagten, aber noch nicht entdeckten) schweren Higgs-Boson bestimmt wird. Für die Quarks würde das bedeuten, daß sie sehr unterschiedlich an das Higgs-Teilchen koppeln. Diese Kopplungsstärken beziehungsweise die Quark-Massen gehören zu den insgesamt 21 Parametern des Standardmodells, die sich nicht aus diesem ableiten lassen, sondern nur experimentell ermittelt werden können. Diese große Zahl von willkürlichen Größen ist ziemlich unbefriedigend – zumindest für die Wissenschaftler, die meinen, daß der grundlegende Aufbau des Universums ganz einfach sein sollte. Um solche Mißliebigkeiten zu eliminieren, schlagen die Theoretiker gewöhnlich das Vorhandensein noch schwererer und exotischerer Teilchen vor. Eine derartige Erweiterung des Standardmodells ist die sogenannte Große Vereinheitlichung. Es gibt nämlich Hinweise darauf, daß die starke Kraft (welche die Quarks in den Atomkernen zusammenhält) sich bei sehr hohen Energien mit der elektroschwachen Kraft vereinigt; beide wären dann gleich stark und würden sich zu einer Großen Einheitlichen Kraft verbinden. Leptonen und Quarks stellten dann gleichsam verschiedene Manifestationen derselben Grundbausteine dar, und einige Parameter der starken Kraft würden sich denen der schwachen angleichen. Der Aufbau eines solchen Großen Vereinheitlichten Modells ist viel einfacher und klarer als der des Standardmodells. Jedoch setzt es das Vorhandensein ultraschwerer Partikel, der Großen Einheitlichen Teilchen mit einer Masse von rund Gigaelektronenvolt, voraus. (Die Teilchenphysiker geben die Masse gewöhnlich in Energieeinheiten an; ein Gigaelektronenvolt – etwa die Masse eines Protons – ist eine Milliarde Elektronenvolt). Diese ultraschweren Teilchen würden es zum Beispiel ermöglichen, daß Quarks sich in Leptonen verwandeln – und daß Protonen zerfallen. Länger als ein Jahrzehnt haben Physiker den Zerfall des Protons nachzuweisen versucht; nun erst werden die Befunde konkreter. Zusammen mit Carlo Rubbia vom CERN und anderen Wissenschaftlern arbeite ich gegenwärtig im unterirdischen Gran-Sasso-Laboratorium in Italien am Icarus-Experiment zur Erforschung des Protonenzerfalls. Dort und in Japan werden zur Zeit riesige Detektoren gebaut. Allerdings birgt das Große Vereinheitlichte Modell einige Probleme. Die darin postulierten ultraschweren Teilchen würden bei Wechselwirkung mit bekannten Partikeln deren Masse erhöhen. Demnach müßten Quarks und Leptonen ebenfalls Massen von etwa Gigaelektronenvolt aufweisen. In diesem Falle könnten wir sie nicht beobachten, weil wir wie die übrige gewöhnliche Materie gar nicht existieren würden – zumindest nicht in der heutigen Form. Die einzige bekannte Lösung dieses Problems ist die Supersymmetrie, kurz SUSY genannt. Dieser Theorie zufolge gehört jedes bekannte Partikel zu einem symmetrischen Teilchenpaar, wobei sich beide Partner nur durch Spin (Eigendrehimpuls) und Masse unterscheiden würden. So hätte beispielsweise jedes Quark ein viel schwereres Squark als Superpartner, und dadurch würde die Wechselwirkung zwischen den schweren vereinheitlichten Teilchen und den Quarks beziehungsweise Leptonen unserer Welt verhindert. Viele Theoretiker sind überzeugt, daß es supersymmetrische Partner gibt, auch wenn bislang keine nachgewiesen werden konnten. Maurice Goldhaber vom Brookhaven-Nationallaboratorium (New York) pflegt zu scherzen, wir stünden gar nicht so schlecht da: Immerhin hätten wir die Hälfte aller supersymmetrischen Teilchen im Universum bereits gefunden – nämlich die Quarks und die Leptonen. Eine zwangsläufige Folge der Supersymmetrie wäre, daß die SUSY-Teilchen flavor-ändernde neutrale Ströme vermitteln würden. Dann könnten sich beispielsweise bottom- in strange-Quarks umwandeln. Den experimentellen Beobachtungen zufolge dürfen solche Zerfälle aber nicht besonders häufig sein, woraus sich eine Einschränkung für die Masse der SUSY-Teilchen ergibt: Beide Partner eines supersymmetrischen Paares müßten ungefähr die gleiche Masse aufweisen. Andererseits folgt aus den Beschleunigerexperimenten, die bisher keinerlei Hinweis auf solche supersymmetrischen Teilchen erbrachten, daß deren Masse mehr als 100 Gigaelektronenvolt, vielleicht sogar bis 10 Teraelektronenvolt (Billionen Elektronenvolt) betragen sollte. Diese widersprüchlichen Aussagen über die Teilchenmassen haben die meisten Versionen der Supersymmetrie in Schwierigkeiten gebracht. Eine andere Möglichkeit, das Standardmodell zu erweitern, ist die Einführung zusätzlicher Quarks. Schon seit Jahren spekulieren die Physiker über eine vierte Familie (siehe meinen Beitrag "Die vierte Quark-Lepton-Familie", Spektrum der Wissenschaft, Oktober 1988, Seite 56). Weil der Großen Vereinheitlichten Theorie zufolge die Quarks auch mit den Leptonen verwandt sind (und zwar jeweils paarweise), müßten Elektron und zugehöriges Neutrino gleichsam die Vettern der up- und down-Quarks sein; Entsprechendes gälte für Myon und Tau samt den zugehörigen Neutrinos und die beiden anderen Quark-Familien. Würden die Physiker nun ein bisher unbekanntes Neutrino finden, wäre dies ein Hinweis auf eine vierte Quark-Familie. Allerdings lassen die Daten des Großen Elektron-Positron-Speicherrings (LEP) am CERN darauf schließen, daß es nur drei leichte (womöglich sogar masselose) Neutrinos gibt – ein viertes wäre nur dann möglich, wenn seine Masse sehr groß ist. Die zugehörige massereiche Quark-Familie würde höchstwahrscheinlich flavor-ändernde Prozesse auslösen, denn die GIM-Mechanismen, die bei leichten Quarks solche Zerfälle verhindern, wirken – wie bereits erwähnt – bei den schwereren Quarks weniger einschränkend. Endprodukt solcher Reaktionen wären bevorzugt die Quarks der dritten Familie. Weinberg und Lawrence J. Hall von der Universität von Kalifornien in Berkeley sowie einige andere Theoretiker haben kürzlich eine weitere Theorie vorgestellt. Dieser zufolge gibt es keine theoretische Beschränkung der Zahl von Higgs-Teilchen in der Natur. Zwar fordert das Standardmodell nur ein einziges Higgs-Boson, schließt jedoch weitere nicht aus. Diese zusätzlichen Higgs-Teilchen könnten sogar eine relativ geringe Masse von nur etwa 100 Gigaelektronenvolt haben. Auch wenn sie in Experimenten mit den üblichen Beschleunigern wegen ihrer geringen Wechselwirkung nur schwer zu beobachten wären, sollten sie doch flavor-ändernde Zerfälle vermitteln. Betroffen wären wohl in erster Linie das bottom- und möglicherweise auch das top-Quark. Ein weiteres Modell – es wird in Anlehnung an ein Verfahren der Farbphotographie Technicolor-Theorie genannt – besagt, daß das Higgs-Boson wiederum aus zwei recht massereichen Partikeln zusammengesetzt sein könnte. In diesem Falle wäre der Higgs-Mechanismus – durch den die W- und Z-Teilchen ihre Masse erhalten – weniger gekünstelt aufgebaut. Die Masse der Technicolor-Teilchen sollte mehr als eine Billion Elektronenvolt betragen. Ferner würden sie recht große flavor-ändernde neutrale Ströme erzeugen, für die es derzeit keinen Hinweis gibt. Verfeinerte Versionen dieser Theorie – man nennt sie "Running-Technicolor"- und "Walking-Technicolor"-Modelle – verringern zwar die flavor-ändernden Ströme, schließen sie aber nicht aus. Aus all diesen möglichen Erweiterungen des Standardmodells schließen die Theoretiker, daß es jenseits seiner Grenzen eine Fülle von Teilchen geben sollte, die flavor-ändernde neutrale Ströme auslösen könnten. Mehr als 30 Jahre lang fahnden ihre experimentell arbeitenden Kollegen nun schon mit immer empfindlicheren Experimenten nach derartigen Zerfällen.

Die Suche nach flavor-ändernden neutralen Strömen

Anfang der sechziger Jahre begannen die ersten Versuche. Am Lawrence-Berkeley-Laboratorium verwendeten wir einen Strahl aus Kaonen. Solche Teilchen bestehen aus einem Quark-Antiquark-Paar, gehören also zur Gruppe der Mesonen. Kaonen können neutral oder positiv beziehungsweise negativ geladen sein; sie bestehen entweder aus einem strange- und einem antiup- oder antidown-Quark oder einem antistrange- in Verbindung mit einem up- oder down-Quark. Wegen ihrer kurzen Lebensdauer und ihren vielfältigen Zerfallsarten eignen sich Kaonen gut für entsprechende Experimente. Angenommen, das strange-Quark eines negativ geladenen Kaons zerfalle in ein down-Quark, dann entstünde ein anderes Meson, das negativ geladene Pion, das ein down- und ein antiup-Quark enthält (das positive Pion besteht aus einem up- und einem antidown-Quark). Zusätzlich würde das zerfallende Kaon ein Neutrino und ein Antineutrino aussenden. Ein Pion ist ein sehr häufiges Teilchen, das in vielen nuklearen Prozessen entsteht. Die beiden gleichzeitig erzeugten Neutrinos wären jedoch ein charakteristisches Signal für das Vorhandensein eines flavor-ändernden Prozesses. Der experimentelle Nachweis eines solchen Zerfalls ist freilich nicht einfach, weil Neutrinos keine sichtbaren Spuren in den Detektoren hinterlassen. Inzwischen sind aber die modernen Experimente so empfindlich, daß sie einer Erweiterung des Standardmodells enge Grenzen gesetzt haben (Bild 2). Das charm-Quark, das gemeinsam mit dem strange-Quark die zweite Familie bildet, galt bis vor kurzem als zu unempfindlicher Indikator für exotische physikalische Prozesse – es zerfällt nämlich recht schnell über Reaktionen aus dem Standardmodell. Mittlerweile ist es aber wieder für Untersuchungen interessant geworden, denn es ist schwach mit dem top-Quark gekoppelt. Dieses könnte darum womöglich in ein charm-Quark zerfallen und dabei sehr hochenergetische Neutrinos abgeben. Reaktionen von Neutrinos mit charm-Quarks könnten ebenfalls ein Indiz für das Vorhandensein von flavor-ändernden neutralen Strömen sein; nach ihnen will man künftig im Fermilab suchen, sobald dort Neutrino-Strahlen zur Verfügung stehen. Der wahrscheinlichste Kandidat für einen Nachweis solcher Ströme ist jedoch das bottom-Quark. Es ist viel schwerer als die strange- und charm-Quarks und koppelt deshalb stärker mit den schweren Teilchen, die von den Erweiterungen des Standardmodells vorhergesagt werden. Zudem kommen bottom-Quarks in B-Mesonen vor, die eine relativ hohe Lebensdauer von Sekunden haben – das ist einhundertmal mehr als erwartet. Sie lassen sich deswegen in großer Anzahl und in hochenergetischen Strahlen erzeugen. Das bottom-Quark könnte auf verschiedene Weise über flavor-ändernde neutrale Ströme zerfallen. Alle diese Zerfallsarten weisen womöglich auf physikalische Prozesse außerhalb des Standardmodells hin. Inzwischen vermögen wir nicht nur B-Mesonen-Strahlen zu erzeugen, sondern verfügen auch über hochempfindliche Meßgeräte. B-Mesonen legen vor ihrem Zerfall zwar nur eine Strecke von einem zehntel Millimeter zurück, hinterlassen in modernen Detektoren aber dennoch deutlich sichtbare Ionisationsspuren. In einer möglichen Reaktion könnte ein bottom- in ein strange-Quark zerfallen und dabei ein unbekanntes Partikel aussenden – möglicherweise ein supersymmetrisches oder ein exotisches Higgs-Teilchen; letzteres würde weiter in ein Lepton-Antilepton-Paar zerfallen. Das bisher empfindlichste Experiment zur Beobachtung eines solchen Zerfalls hat unsere Gruppe mit dem UA1-Detektor (Underground Area 1) des Proton-Antiproton-Colliders am CERN durchgeführt. (Mit diesem Gerät wurden 1983 erstmals die W- und Z-Bosonen, die Trägerteilchen der schwachen Kraft, nachgewiesen. Dafür bekamen der Italiener Carlo Rubbia, Leiter der 130köpfigen internationalen Wissenschaftlergruppe, und der Holländer Simon van der Meer, der mit seiner Erfindung der sogenannten stochastischen Kühlung wesentlich zum Erfolg der Experimente beigetragen hatte, 1984 den Physik-Nobelpreis; Spektrum der Wissenschaft, Mai 1982, Seite 88, und Dezember 1984, Seite 12). Wir suchten nach einem Myon-Antimyon-Paar mit einer Gesamtenergie von mehr als 4 Gigaelektronenvolt. Von 100000 beobachteten Zerfällen gingen weniger als fünf mit einer Flavor-Änderung einher. Anhand dieses Befundes ließen sich die Massen der hypothetischen Technicolor- und Higgs-Teilchen eingrenzen. Wenn diese Partikel wirklich so stark wechselwirken wie vorhergesagt, dann muß ihre Masse kleiner als 400 Gigaelektronenvolt sein. Bei einer anderen Reaktion, dem Pinguin-Zerfall, wandelt sich das bottom-Quark ebenfalls in ein strange-Quark um, allerdings unter Aussendung eines Photons. Das zerfallende bottom-Quark ist dabei Bestandteil eines B-Mesons, das unter Abgabe des Photons in einen angeregten Zustand eines Kaons zerfällt. Ende 1993 wurde ein solcher Zerfall am Elektronen-Speicherring CESR der Cornell-Universität in Ithaca (US-Bundesstaat New York) nachgewiesen (Bild 4). Bislang ließen sich nur wenige solcher Ereignisse entdecken. Die Wahrscheinlichkeit eines derartigen Prozesses zu berechnen ist äußerst schwierig. Sein Vorhandensein könnte auf ein exotisches Teilchen oder auf eine Wechselwirkung mit einem top-Quark hinweisen. Sicher wissen wir allerdings nur, daß es sich um einen Pinguin-Prozeß handelt. Erst wenn jedoch eine für eine systematische Untersuchung ausreichende Zahl solcher Zerfälle erzeugt werden kann, wird sich herausfinden lassen, welche Teilchen diesen Pinguin vermitteln. Die gegenwärtigen Forschungsergebnisse machen jedenfalls neugierig. Eine weitere Wechselwirkung – die weit weniger theoretische Unsicherheiten birgt als die eben angeführte – ist der Zerfall des B-Mesons in ein Teilchen mit einem strange-Quark unter Abgabe eines Photons. Der oben beschriebene Zerfall ist Teil dieser Reaktion, die jedoch leichter zu berechnen ist. Für die Häufigkeit dieses Zerfalls hat das Cornell-Experiment Schranken gesetzt: Von 10000 B-Meson-Zerfällen sind weniger als fünf flavor-ändernd.

B-Mesonen-Fabriken

Es gibt aber noch eine interessante Möglichkeit für den Zerfall eines bottom-Quarks: einen flavor-ändernden neutralen Strom, bei dem ein B-Meson zerfällt – allerdings nicht in ein andere Quarkkombination, sondern in ein Leptonenpaar. Ein Beispiel wäre der Zerfall in ein Tau und ein Antitau. Im Großen Vereinheitlichten Modell gehört das Tau-Lepton zur selben Familie wie das bottom-Quark. An diesem Zerfall wären also nur Mitglieder der dritten Familie beteiligt, und er erforderte einen neutralen Strom. Sollte dieser Prozeß relativ häufig vorkommen, würde dies auf supersymmetrische Teilchen hinweisen. Der Nachweis dieses Zerfalls ist eine der großen Herausforderungen für die experimentell arbeitenden Teilchenphysiker. Kürzlich haben einige während einer Konferenz in Snowmass (Colorado) angeregt, mögliche Nachweismethoden zu untersuchen. Dazu führen wir an der Universität von Kalifornien in Los Angeles gerade eine Reihe von Computersimulationen durch. Ein Ansatz wäre der Nachweis der Myonen, in die das Tau-Lepton zerfällt. Einem jüngst genehmigten Detektor, der Kompakten Myonenspule (Compact Muon Solenoid), die am Großen Hadronen-Collider (LHC) des CERN eingesetzt werden soll, könnte dabei eine Schlüsselrolle zukommen. Unsere Gruppe war an der Planung dieses Detektors beteiligt und wird – wie wir hoffen – auch am Bau mitwirken. Das Projekt leitet Michel Della Negra vom CERN. Außer den Detektoren werden auch starke B-Mesonen-Quellen benötigt. Die Proton-Antiproton-Strahlen am Fermilab beispielsweise könnten dafür verwendet werden. Beim Zusammenprall der beiden Strahlen entstehen Teilchen in großer Zahl und Vielfalt, darunter zwischen und B-Mesonen. Zudem sind zwei neue B-Mesonen-Fabriken in Planung, und zwar am kalifornischen Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) und am Nationallaboratorium für Hochenergiephysik (bekannt unter dem Kürzel KEK) in Japan; jede soll etwa 108 B-Mesonen pro Strahlenkollision erzeugen. Auch künftige Collider werden für solche Forschungsvorhaben wichtig sein. Die Europäische Union treibt den Bau des LHC voran, der im bestehenden Tunnel des LEP errichtet wird (Bild 5). In diesem Collider sollen Protonen zweier gegenläufiger Strahlen mit einer Energie von jeweils 7 Teraelektronenvolt aufeinanderprallen. Wenn alles planmäßig verläuft, wird der LHC noch vor dem Jahre 2003 in Betrieb gehen und im Wechselwirkungspunkt ungefähr 1012 B-Mesonen pro Durchgang erzeugen. Ein weiteres Hilfsmittel zum Nachweis von B-Meson-Zerfällen am LHC ist das sogenannte Super-fixed-target-Experiment: Ein Teil des Hauptstrahls soll abgezweigt und auf ein stationäres Ziel gelenkt werden, um bis zu B-Mesonen pro auftreffendes Protonenbündel zu produzieren. Nach dem Baustopp des SSC wollen viele Wissenschaftlergruppen aus den Vereinigten Staaten nun am LHC arbeiten. Ein Ausschuß der Hochenergie-Beratungskommission unter Vorsitz von Sidney D. Drell vom SLAC hat kürzlich gegenüber dem US-Energieministerium noch einmal die Wichtigkeit einer Teilnahme am LHC-Projekt herausgestellt. Seit Entdeckung des top-Quarks im Frühjahr dieses Jahres am Fermilab können die Physiker bottom-Quark-Zerfälle präziser auswerten. Denn weil nun die Masse des top ausreichend genau bekannt ist, läßt sich die Häufigkeit von Pinguin-Prozessen berechnen, an denen es beteiligt ist; daraus vermag man wiederum abzuleiten, welche flavor-ändernden neutralen Ströme auf die Existenz exotischer Teilchen hinweisen. Auch das top-Quark zerfällt womöglich auf ungewohnte Weise, etwa in ein charm-Quark und zwei Neutrinos. Als Vermittler kämen Technicolor- oder mehrere Higgs-Teilchen in Frage. Die große Masse des top (174 Gigaelektronenvolt) könnte darauf hinweisen, daß exotische Teilchen noch schwerer sind als von den Theoretikern vorhergesagt – vielleicht liegen ihre Massen irgendwo zwischen einigen hundert Giga- und einem Teraelektronenvolt. Die Beobachtungen von flavor-ändernden Zerfällen an der Cornell-Universität und die mit dem Detektor UA1 ermittelten Grenzen für die Massen der exotischen Teilchen haben bei der Suche nach Phänomenen jenseits des Standardmodells eine neue Ära eingeleitet. Mit den leistungsfähigen B-Mesonen-Quellen, die schon bald zur Verfügung stehen werden, und anhand der Informationen über die top-Quarks werden die Experimentatoren ihr Wissen über die flavor-ändernden Prozesse festigen und neue Zusammenhänge ergründen. Die Geschichte der flavor-ändernden neutralen Ströme verdeutlicht die Rolle, die sogenannte Null-Experimente – solche, bei denen keine Ereignisse auftreten – bei der Entwicklung der Teilchenphysik gespielt haben. Wir hoffen, daß die mühsame Forschungsarbeit der vergangenen 30 Jahre in nicht allzu ferner Zukunft mit neuen Entdeckungen belohnt wird. Noch vor Inbetriebnahme des Großen Hadronen-Colliders wird es den Physikern möglicherweise gelingen, den Elementarteilchen wieder etwas von ihren Geheimnissen zu nehmen.

Literaturhinweise

- A Tour of the Subatomic Zoo. Von C. Schwarz. AIP Press, 1993.

– Discovery of Weak Neutral Currents: The Weak Interaction Before and After. Herausgegeben von A.K. Mann und D.B. Cline. AIP Press, 1994.

– Thirty Years of Weak Neutral Currents. Von D.B. Cline in: Comments in Nuclear and Particle Physics, Band 21, Heft 4, Seiten 193 bis 222, März 1994.

– Teilchen, Felder und Symmetrien. Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft, 1984.

– Spurensuche im Teilchenzoo. Die elementaren Bausteine der Materie. Von Frank Close, Michael Marten und Christine Sutton. Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft, 1989.

– Hochenergiephysik. Von Erich Lohrmann. Teubner, Stuttgart 1992.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 12 / 1994, Seite 38
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