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top-Quark nachgewiesen

Nach siebzehnjähriger Suche haben die Elementarteilchenphysiker nun offenbar das letzte noch fehlende Quark entdeckt. Damit ist das Sortiment der fundamentalen Materiebausteine - vorerst - komplett.


Zu den grundlegenden Problemen der Naturwissenschaften gehört die Frage, was Materie eigentlich sei und woraus sie bestehe. Vor ungefähr 200 Jahren setzte sich in der Chemie die Vorstellung durch, daß alle Stoffe aus kleinen, unveränderlichen Einheiten aufgebaut sind, die man Atome nannte (nach griechisch atomos, unteilbar). Kurz vor Ende des letzten Jahrhunderts begannen Physiker jedoch, dieses Bild von der Unteilbarkeit der Materie anzuzweifeln – aus damaliger Sicht eine fast ketzerische Kühnheit. Seitdem sind sie auf ihrer Suche nach den wirklich elementaren Materiebausteinen mehrmals in immer kleinere Dimensionen vorgedrungen und haben dabei eine Vielzahl von Teilchen entdeckt, die ihrerseits wieder aus noch kleineren aufgebaut sind.

Zunächst erkannte man, daß ein Atom aus einem kleinen, massereichen Kern mit positiver Ladung besteht, der von einer Hülle aus negativen Elektronen umgeben ist. Während Elektronen nach heutigem Verständnis tatsächlich zu den fundamentalen Bausteinen der Materie gehören und keine innere Struktur aufweisen, enthält der Kern je nach Art des chemischen Elements eine mehr oder weniger große Anzahl von positiven Protonen und ungeladenen Neutronen. Inzwischen weiß man, daß diese Kernbausteine ihrerseits aus noch kleineren Teilchen aufgebaut sind, den sogenannten Quarks: Ein Proton beispielsweise besteht aus zwei up-Quarks und einem down-Quark (abgekürzt uud) und ein Neutron aus einem up- und zwei down-Quarks (udd).

Diese beiden Quarks reichen aus, den Aufbau der gewöhnlichen Kernmaterie zu beschreiben. In Experimenten mit Beschleunigern tauchten jedoch exotischere Teilchen auf, deren Eigenschaften sich nur erklären ließen, wenn man die Existenz weiterer Quarks annahm. So entstand das Standardmodell der Teilchenphysik, demzufolge es außer den beiden bekannten vier zusätzliche Quarks geben sollte, die man charm, strange, bottom und top nannte. Je zwei davon bilden eine Familie, die einer anderen Teilchengruppe, den Leptonen, zugeordnet ist. Jede Lepton-Familie besteht dabei aus einem geladenen und einem neutralen Teilchen. In der ersten ist das geladene Lepton das Elektron und das neutrale das Elektron-Neutrino (Bild).

Quarks experimentell zu beobachten, ist sehr schwierig. Sie kommen nämlich nicht einzeln vor, sondern immer in Verbänden von zweien oder dreien und sind darum nur indirekt anhand bestimmter Umwandlungen durch eine genaue Analyse der Energie- und Impulsbilanz nachweisbar. Zudem ist ihre Masse sehr groß, so daß man sie ausschließlich mit den energiereichsten Teilchenbeschleunigern erzeugen kann.

Bis zum Jahre 1977 gelang es auf diese Weise, die Existenz von fünf Quarks zu bestätigen, was die Auffassung bestärkte, daß es eine Symmetrie zwischen den fundamentalen Bausteinen der Natur gebe, bei der den sechs verschiedenen Leptonen sechs Quark-Arten gegenüber stehen. Das sechste Quark aber, das top, schien Verstecken mit den Physikern zu spielen. Meldungen einer Arbeitsgruppe am CERN, des europäischen Laboratoriums für Teilchenphysik bei Genf, im Jahre 1984, wonach es bei hochenergetischen Kollisionen von Protonen mit deren Antiteilchen, den Antiprotonen, entdeckt worden sei, erwiesen sich als verfrüht. Immerhin gelang es in den Folgejahren am CERN, den Massenbereich dieses schwersten aller Quarks auf Werte zwischen 130 und 200 Gigaelektronenvolt einzugrenzen.

Am 26. April haben nun Physiker des Fermi National Accelerator Laboratory – kurz Fermilab genannt – in der Nähe von Chicago (Illinois) die neuesten Ergebnisse ihrer Suche nach dem fehlenden Quark präsentiert. An diesem Institut wird seit 1983 der weltweit leistungsfähigste Proton-Antiproton-Speicherring, das Tevatron, betrieben (Spektrum der Wissenschaft, Mai 1991, Seite 64). Im Zentrum eines 5000 Tonnen schweren Nachweisgerätes, des sogenannten Collider-Detektors am Fermilab (CDF), können pro Sekunde mehr als 100|||000 Kollisionen zwischen Protonen und ihren Antiteilchen aufgezeichnet werden.

Die 439 an diesem Experiment beteiligten Wissenschaftler aus den USA, Italien, Japan, Kanada und Taiwan glauben nun genügend Ereignisse registriert zu haben, an denen ein nur als top-Quark zu interpretierendes Teilchen beteiligt ist, um dessen Existenz belegen zu können. In einem bei der Fachzeitschrift "Physical Review D" eingereichten Manuskript scheuen sie trotzdem davor zurück, von der Entdeckung des Teilchens zu sprechen: "Wir haben noch nicht genügend Beispiele der top-Quark-Erzeugung beobachtet, um die Existenz dieses Teilchens zweifelsfrei belegen zu können", schränkte ein Sprecher der Arbeitsgruppe ein. Den bisherigen Messungen zufolge ergibt sich für die top-Masse ein Wert von 174 Gigaelektronenvolt, wobei die Meßunsicherheit etwa 10 Prozent beträgt. Damit wäre dieses Quark ungleich schwerer als alle anderen und wöge etwa so viel wie ein gewöhnliches Goldatom.

Wegen der nun bestätigten Symmetrie zwischen Quarks und Leptonen kann man vermuten, daß es einen tieferen Zusammenhang zwischen beiden Teilchenarten gibt. Insbesondere hofft man, anhand dieser Beziehung eines Tages klären zu können, was Masse eigentlich ist und warum die fundamentalen Teilchen der Materie gerade die Masse haben, die man in Experimenten an Beschleunigern ermittelt.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 6 / 1994, Seite 32
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
6 / 1994

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 6 / 1994

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