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Elementarteilchenphysik: Wenn Pinguine zerfallen

In der Welt der Elementarteilchen ist fast alles möglich. Da kann sich jedes Teilchen in nahezu jedes andere umwandeln – vorausgesetzt, es hält sich an die strikten Regeln des Standardmodells. Mit Hilfe eines japanischen Beschleunigers wollen Physiker nun nachweisen, ob sich auch die schweren bottom-Quarks an die Gesetze halten.
Feynman-Pinguin
Anders als in der Kernphysik, bei der ein instabiler Haufen von Protonen und Neutronen einfach in kleinere Klumpen aus ebensolchen Kernbausteinen zerplatzt, zerfallen Elementarteilchen vollkommen anders: Vorher und nachher existieren gänzlich unterschiedliche Anfangs- und Endprodukte. So kann sich selbst ein schweres Elementarteilchen in ein leichteres umwandeln und dabei seine Identität vollkommen verändern. Die Physiker veranschaulichen derartige Zerfallsketten mit Hilfe von Feynman-Diagrammen – grafischen Darstellungen für komplexe, hochenergetische Vorgänge. Sie ähneln mit einiger Fantasie Pinguinen, weswegen sie in der Fachsprache auch so genannt werden.

Feynman-Pinguin eines B-Mesonen-Zerfalls | Feynman-Darstellung eines B-Mesonen-Zerfalls in Form eines "Pinguins"
Diese Prozesse setzen kurzfristig Energie frei; normalerweise in Form von elektromagnetischer Strahlung oder bei exotischeren Übergängen in Form von Gluonen, W- oder Z-Bosonen. Letztere sind ähnlich wie das Photon virtuelle, also im herkömmlichen Sinne nicht reale Teilchen. Sie halten die (realen) Bausteine der Materie mit unterschiedlicher Kraft zusammen.

Aus der Energie dieser Kraftaustauschteilchen kann gemäß Albert Einsteins berühmter Formel E=mc2 Neues hervorgehen. Was dabei entsteht, gibt die Gleichung jedoch nicht vor: Im Rahmen der auch für die Elementarteilchen gültigen Erhaltungssätze, die nicht verletzt werden dürfen – zumindest nicht für einen messbar langen Zeitraum –, ist alles möglich.

Nun melden Wissenschaftler am japanischen Beschleunigerzentrum KEK in Tsukuba, sie hätten tatsächlich zuvor noch nie gesehene Übergänge beobachtet: In 65 von über 380 Millionen Fällen habe sich ein so genanntes schweres bottom-Quark in ein leichtes down-Quark umgewandelt. Das Außergewöhnliche daran ist, dass sich ein Elementarteilchen der so genannten dritten Generation – das b-Quark – in ein elementares Korpuskel der ersten Generation – ein d-Quark – umgewandelt hat.

Was steckt dahinter? Nach heutiger Erkenntnis gibt es drei Familien von Elementarteilchen: Zur ersten gehören das up- und down-Quark, aus dem beispielsweise die Protonen und Neutronen bestehen, sowie das Elektron und das dazugehörige elektrisch neutrale Neutrino. Lange Zeit war für die Physiker damit die Welt in bester Ordnung. Sie konnten mit diesem Satz an elementaren Bausteinen alle beobachteten Phänomene erklären.

Doch 1937 fanden die Naturwissenschaftler in der atmosphärischen Höhenstrahlung ein neues Teilchen: das Myon. Weil es so gar nicht ins Schema passte, soll der Physik-Nobelpreisträger Isidore Rabi sein Auftauchen mit den Worten "Who ordered that?" ("Wer hat denn das bestellt?") kommentiert haben.

Heute weiß man, dass dieser zweiten Generation an Elementarteilchen noch ein entsprechendes Myon-Neutrino angehört sowie die strange- und charm-Quarks. Der Name des s-Quarks deutet übrigens darauf hin, dass den Experimentatoren die Existenz einer zweiten Gruppe an Elementarteilchen noch nicht ganz geheuer war. Überzeugt vom Charme und der Harmonie der Welt waren sie erst wieder, als sie in ihren Beschleunigern das c-Quark nachwiesen. Es brachte die lang gesuchte Symmetrie zurück. Mittlerweile kennt die Fachwelt noch eine dritte Generation an Elementarteilchen. Zu ihr gehören das Tau, ein weiteres Neutrino sowie das besagte bottom-Quark und das erst kürzlich nachgewiesene top-Quark.

Die einzelnen Vertreter gleichen sich in so gut wie allen Eigenschaften – außer in ihrer Stabilität und ihrer Masse, die von Generation zu Generation immer weiter zulegt. Warum es diese drei verschiedenen Kopien der Elementarbausteine gibt, ist für alle Wissenschaftler bis heute ein Rätsel. Zumindest können sie durch ihre Experimente aber ausschließen, dass es noch eine vierte Ahnenreihe gibt.

Um mehr über die seltsamen Eigenschaften des Mikrokosmos zu lernen, untersuchen viele Physiker derzeit die schweren Teilchen der letzte Familie. Da sich das top-Quark mit heutigen Mitteln nicht sauber reproduzieren lässt, nehmen sie das bottom-Quark genauer unter die Lupe, das sich mittlerweile in Massen produzieren lässt. Dazu gibt es so genannte B-Factories – spezielle Beschleuniger, die so konzipiert wurden, dass sie die Teilchen am laufenden Band erzeugen.

B-Meson-Zerfall (1) | Möglicher Zerfall eines B-Mesons in ein Rho-Meson unter Abstrahlung eines Photons
Eine derartige Fabrik ist KEK-B. Sie lässt Elektronen und deren Antiteilen – Positronen – mit jeweils nahezu Lichtgeschwindigkeit frontal aufeinanderprallen. Aus dem quantenmechanischen Feuerball entsteht – wie Einstein vorhersagte – neue Materie. KEK-B ist so eingestellt, dass haufenweise so genannter B-Mesonen entstehen: Eine Verbindung eines bottom-Quarks mit seiner Antimaterie – einem Anti-b-Quark. Diese Gebilde sind außerordentlich zerbrechlich: Sie zerfallen innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde. Aus der Art und Weise, wie das geschieht, lernen die Physiker etwas über die Kräfte, die die Welt im subatomaren Bereich zusammenhalten.

Und dabei hatten die Forscher eben beobachtet, dass sich in 35 Fällen ein bottom-Quark des B-Mesons unter Aussendung eines Photons in ein down-Quark umgewandelt hatte – also einen Sprung von der dritten in die erste Generation vollführte. Das d-Quark bildete mit dem übriggebliebenen Quark des B-Mesons spontan ein Rho- oder ein Omega-Teilchen. In 30 Fällen erzeugte das vom b-Quark abgestrahlte Photon darüber hinaus ein neues Quark-Antiquark-Paar (Einstein lässt grüßen!), das sich mit dem neu entstandenen d-Quark und dem Rest des B-Mesons zu zwei so genannte K-Mesonen zusammenfügte.

B-Meson-Zerfall (2) | Möglicher Zerfall eines B-Mesons in zwei K-Mesonen unter Abstrahlung eines Photons
Mit dieser Anzahl an Ereignissen hoffen die Experimentatoren nun herauszufinden, ob das Standardmodell zur Erklärung der Zerfälle ausreicht, oder ob noch andere Kräfte im Spiel sind. Die Wissenschaftler vom Nachweisgerät Belle, an dem die Untersuchungen durchgeführt wurden, haben insbesondere eine Theorie im Auge, die sich Supersymmetrie nennt. Derzufolge soll es zu jedem heute bekannten Elementarteilchen, die alle einen halbzahligen Eigendrehimpuls besitzen, einen Partner geben, der einen ganzzahligen Spin aufweist. Das wäre ein erster Hinweis auf eine Erweiterung des Standardmodells der Elementarteilchenphysik.

Zumindest aber können die Wissenschaftler mit ihren Untersuchungen nun ein weiteres Element der so genannten Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix bestimmen. Die von den drei Theoretikern Nicola Cabibbo, Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa Anfang der 1970er Jahre entwickelte 3 x 3-Matrix beschreibt die Wahrscheinlichkeit des Übergangs eines Quarks in ein anderes. Deren Elemente müssen jedoch jeweils experimentell ermittelt werden. Mit dem Versuch der Belle Collaboration ist dies nun genauer möglich.

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