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Ein entscheidender Zerfall
Ein seltener Vorgang in der Natur soll darüber entscheiden, wie wir in Zukunft am besten unser Universum beschreiben. Es handelt sich um einen bestimmten Zerfall einer bestimmten Elementarteilchensorte: der Myonen. Diese Teilchen leben nicht lange und zerfallen in verschiedene andere Partikel. Doch ein ganz besonderer Zerfallsprozess ist laut den einen theoretischen Modellen praktisch verboten, laut den anderen aber erlaubt. Welche Theorie hat recht? Durch die genaueste Beobachtung von vielen hundert Billionen Teilchenzerfällen sind Physiker am Paul Scherrer Institut diesem Rätsel näher gekommen. Ihre Ergebnisse haben sie im Fachblatt Physical Review Letters veröffentlicht.
Die Suche von Physikern nach einem bestimmten Elementarteilchen-Zerfall erinnert an eine Überlegung aus der Philosophie: „Selbst wenn ich mein Leben lang nur schwarze Raben gesehen habe“, so erfährt in Jostein Gaarders Roman „Sophies Welt“ die junge Protagonistin, „heisst das nicht, dass es keine weissen Raben gibt.“ Wissenschaftler hätten für dieses Problem wohl schnell eine Methode parat: Sie würden hundert Raben einfangen. Wäre einer davon weiss, so betrüge die Wahrscheinlichkeit von weissen Raben ein Prozent. Wäre dagegen von den hundert Tieren im Netz kein einziges weiss, so hiesse das lediglich, dass die Wahrscheinlichkeit bei weniger als einem Prozent läge. Bei tausend eingefangenen schwarzen Raben wäre die Wahrscheinlichkeit schon auf weniger als ein Promille gesunken. So würden sich die Forscher immer weiter vorarbeiten: Sie würden den weissen Raben an sich niemals ganz ausschliessen, doch seine Existenz würde immer unwahrscheinlicher werden.
Der weisse Rabe ist ein seltener Zerfallsprozess
Der weisse Rabe, den die Physiker am Paul Scherrer Institut suchen, ist ein bestimmter Umwandlungsprozess eines winzigen Teilchens, genauer des Myons. Myonen bemerken wir im Alltag nicht, denn sie sind nicht Teil des Atomaufbaus und zerfallen zudem recht schnell in andere Teilchen. Dennoch sind Myonen Elementarteilchen, genauer gesagt gehören Sie – zusammen mit den Elektronen – zur Gattung der Leptonen. Genau wie Elektronen haben sie eine elektrische Ladung, doch unterscheiden sie sich von diesen durch ihr 207 Mal so grosses Gewicht. Wissenschaftler nennen das Myon daher auch den schweren Bruder des Elektrons. Solch ein Myon, so sagen es manche wissenschaftlichen Theorien voraus, soll hin und wieder zerfallen in ein Elektron und ein Photon, also ein Lichtteilchen. Anderen Modellen zufolge ist genau dieser Prozess jedoch so gut wie ausgeschlossen: Er soll so selten vorkommen, dass es unmöglich wäre, ihn je zu beobachten. So besagt es zum Beispiel das Standard-Modell der Teilchenphysik. Es ist ein umfassendes Konzept, das vieles von dem erklärt, was die Menschheit bisher beobachten konnte – aber leider nicht ganz alles. Unter anderem verschweigt das Standard-Modell die Existenz der sogenannten Dunklen Materie und der Dunklen Energie: Jener mysteriösen Stoffe, die zusammen rund 95 Prozent des Universums bilden sollen, sich dabei indirekt bemerkbar machen, aber bisher von keinem Messinstrument dingfest gemacht werden konnten.
Susy erlaubt den Teilchenzerfall
Darum ist klar: Früher oder später muss das Standard-Modell erweitert oder sogar gänzlich ersetzt werden durch eine neue Theorie. Zu den Kandidaten in der Warteschleife zählt unter anderem Susy, die Theorie der Supersymmetrie. Susy ist sogar ein ganzer Schwarm an Theorien, denn noch fehlen etliche Messungen, um Susy genauer einzugrenzen. In den meisten Susy-Theorien geschieht aber dieser eine, strittige Myonen-Zerfall mit messbarer Wahrscheinlichkeit. Den Wissenschaftlern bleibt nichts anderes übrig, als die Welt nach diesem seltenen Teilchenzerfall, ihrem weissen Raben, zu durchkämmen. Dafür brauchen sie erst einmal sehr viele Raben, also viele Myonen. Hierfür ist das PSI prädestiniert, denn nirgendwo sonst auf der Welt stehen den Forschern so viele der Teilchen zur Verfügung wie hier: Inzwischen sind es hundert Millionen Myonen pro Sekunde. Sie werden am grossen Protonenbeschleuniger des PSI erzeugt. Als Nächstes benötigen die Forscher einen geeigneten Raben-Kescher: Messinstrumente, die diesen einen Myonen-Zerfall einfangen können. Eines davon ist ein C-förmiger Behälter am PSI, rund einen mal einen Meter gross. Für Umbauarbeiten kann man hineingehen, allerdings nur in Schutzkleidung, denn alles muss extrem sauber bleiben. Während der Messungen ist dieser Behälter mit 900 Litern flüssigem, hochreinem Xenon gefüllt. An seinen Wänden sind 846 Lichtsensoren angebracht, sogenannte Photomultiplier. Trifft ein einzelnes Lichtteilchen auf die Xenon-Atome im Tank, löst es dort einen kleinen Lichtblitz aus, der nun stark genug ist, um von den die Lichtsensoren registriert zu werden. Im Zusammenspiel mit einem zweiten Messgerät können diese Sensoren feststellen, ob der spezielle gesuchte Myonen-Zerfall stattfindet.
Dieses zweite Instrument ist ein Positronen-Detektor. Denn die Forscher bedienen sich eines kleinen Tricks: Anstatt nach dem Zerfall eines Myons in ein Lichtteilchen und ein Elektron zu suchen, jagen sie den genau komplementären und genau gleich häufigen Fall der jeweiligen Antiteilchen: Ein Anti-Myon zerfällt in ein Lichtteilchen und ein Anti-Elektron; Letzteres trägt den Namen Positron.
Es gilt, genau zu klären, wie selten der rare Zerfall ist
Täglich vermessen die Forscher am PSI mit ihrer Maschine viele Milliarden Anti-Myonen-Zerfälle und schauen, ob Lichtteilchen und Positronen in passender Weise unter den Zerfallsprodukten sind. Denn dass der gesuchte Zerfall sehr selten ist, ist bereits klar. Doch wie selten genau – darum geht es den Wissenschaftlern, die herausfinden wollen, ob das Standard-Modell, ob Susy oder ob gar eine andere Theorie unser Universum am besten beschreibt. Nur am PSI mit seiner grossen Myonen-Kapazität können sie dieser Frage mit so grosser Gründlichkeit nachgehen. Zehn Computer laufen durchgängig, um diese kontinuierliche Datenmenge zu bewältigen.
Doch bisher lassen sich alle vermessenen Lichtteilchen und Positronen durch andere Vorgänge und Zerfälle gut erklären. Kein einziger weisser Rabe war bisher dabei – kein Lichtteilchen-Positronen-Paar, das auf den gesuchten Anti-Myonen-Zerfall zurückzuführen wäre. Kürzlich haben die Wissenschaftler des PSI im Fachblatt Physical Review Letters ihre Daten veröffentlicht, die sie in den Jahren 2009 bis 2011 gesammelt hatten; die Spur von insgesamt mehreren hundert Billionen Anti-Myonen hatten sie in diesem Zeitraum verfolgt. Auf dieser Basis können die Forscher nun sagen: Die Wahrscheinlichkeit, dass es diesen bestimmten Teilchenzerfall gibt, ist kleiner als eins zu 57 Billionen.
Es wird eng für Susy und Co
Ist damit das Standard-Modell bestätigt und sind alternative Theorien wie Susy aus der Welt? Nicht ganz, erklärt Stefan Ritt, Leiter der Myonen-Forschungsgruppe am Labor für Teilchenphysik des PSI: „Aber wir haben die Grenzen für solche Modelle enger gesetzt.“ Konkret bedeutet das: Der Schwarm an Susy-Theorien und -Parametern lässt sich als eine Wolke von Punkten in einer Grafik darstellen. Doch durch die Messungen von Ritt und seinen Kollegen wird eine Linie durch dieses Diagramm gelegt, alle rechts davon liegenden Punkte für unmöglich erklärt. Durch mehr Messungen, die keinen der gesuchten Teilchenzerfälle finden, wird diese Linie immer weiter nach links geschoben und löscht so immer mehr Punkte von der Fläche. Doch je weiter die Linie nach links rutscht, umso grösser wird der Aufwand für den nächsten Zentimeter. Wie viele Billionen, Billiarden oder gar Trilliarden Teilchenzerfälle wollen sie noch vermessen, um die winzige statistische Abweichung vielleicht doch noch zu erhaschen? „Wir machen weiter, solange es sinnvoll ist“, erklärt Stefan Ritt. Mit den Messungen der vergangenen fünf Jahre konnten die Wissenschaftler die Grenzen für Susy und Co um einen Faktor 20 enger stecken. Noch bis zum Sommer läuft die aktuelle Messreihe. Dann wird der Betrieb für zwei Jahre unterbrochen, um das Experiment zu verbessern. Unter anderem werden die bisher runden Photomultiplier durch quadratische Detektoren ersetzt, denn diese passen nahtloser aneinander. So lässt sich auf noch mehr Fläche im Xenon-Tank noch mehr des Signals der Lichtteilchen einfangen. „Es ist ein arbeitsintensiver und teurer Umbau. Aber wir werden damit die Messung nochmals um den Faktor zehn verbessern können“, erklärt Ritt. Für die Wissenschaftsgemeinde ist ein Faktor zehn ein enormer Meilenstein.
Lieber fairer Schiedsrichter als einen Nobelpreis für das Experiment
Hofft Ritt, damit den Teilchenzerfall doch noch aufzuspüren – oder hängt sein Herz eher am bisherigen Standard-Modell und er würde es bedauern, dieses durch einen Fund zu widerlegen? „Weder noch“, antwortet er sofort. „Ich sehe mich als einen neutralen Schiedsrichter der Natur. Sicher, wenn wir diesen Myonen-Gamma-Zerfall finden würden, wäre es eine Sensation, vielleicht würde es eines Tages sogar den Nobelpreis dafür geben. Aber es geht hier um nichts Geringeres als den Aufbau des Universums. Darum müssen wir unsere Messungen ganz ohne Vorurteile machen.“ Statt emotionaler Präferenzen für das Versuchsergebnis zeigt seine Leidenschaft sowieso in eine andere Richtung: „Ich steigere mich stattdessen lieber in die technischen Details des Versuchs hinein“, erklärt Ritt.
Im Roman geht die Philosophiestunde für Sophie übrigens noch weiter: „Du kannst“, so erklärt ihr Mentor schliesslich, „die Jagd nach dem weissen Raben als allerwichtigste Aufgabe der Wissenschaft bezeichnen.“ Wenn es um den Myonen-Zerfall geht, sind Stefan Ritt und die anderen Forscher am PSI seine vielleicht passioniertesten Jäger.
Internationale Zusammenarbeit
Das MEG-Projekt ist eine internationale Zusammenarbeit. Die beteiligten Institutionen sind:
- Aus Japan: Universität Tokio, KEK und Waseda-Universität
- Aus der Schweiz: Paul Scherrer Institut
- Aus Italien: INFN, Pisa, Universität Genua, Universität Pavia, Universität La Sapienza, Rom, Univesität Salento
- Aus Russland: BINP, Novosibirsk, JINR, Dubna
- Aus den USA: University of California, Irvine
Sprecher der Kollaboration sind A. Baldini, INFN Pisa und T. Mori, Universität Tokio
Text: Laura Hennemann