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Sieht man vom Higgs-Teilchen ab, war das Top-Quark das letzte Elementarteilchen des heute gültigen Standardmodells, das experimentell nachgewiesen wurde. Dieser Nachweis gelang 1995 am Fermilab unweit von Chicago/USA. Wissenschaftlern dieser Forschungseinrichtung ist nun eine weitere Entdeckung rund um das Top-Quark gelungen: Sie haben einen neuen, sehr selten zu beobachtenden Weg experimentell nachgewiesen, auf dem das Top-Quark erzeugt werden kann.
Quarks sind die Bausteine von Neutronen und Protonen, also jenen Teilen, die den Kern der Atome bilden. 1964 hatte der Physiker Murray Gell-Mann die Existenz der Quarks vorausgesagt, und die sechs Ausprägungen dieses Teilchens wurden dann nach und nach experimentell nachgewiesen, als letztes das Top-Quark 1995 am US-amerikanischen Teilchenphysik-Labor Fermilab. Eine zentrale Rolle bei der Entdeckung spielte damals das CDF-Experiment.
Entstehung auf dem s-channel
Wissenschaftlern des CDF-Experiments und des DZero-Experiments am Fermilab ist nun eine weitere Entdeckung rund um das Top-Quark gelungen. Sie haben einen neuen Weg zur Erzeugung des Elementarteilchens experimentell nachgewiesen. Dabei handelt es sich um den sogenannten s-channel, bei dem das Top-Quark durch die schwache Kraft erzeugt wird. Das berichtet der News-Service 'Interactions News Wire' dieser Tage.
Das Besondere an diesem Entstehungsweg ist, dass er extrem selten ist. Entsprechend gross war der Aufwand, den Physikerinnen und Physiker betreiben mussten, um diesen Entstehungsweg nachzuweisen. Grundlage der neusten Entdeckung bildet die Auswertung von über 500 Trillionen Proton-Antiproton-Kollisionen, die sich am Tevatron, dem Teilchenbeschleuniger des Fermilab, zwischen 2001 und 2011 ereignet haben. Der Tevatron war ein Vierteljahrhundert lang der wichtigste Teilchenbeschleuniger, bevor 2009 der Large Hadron Collider (LHC) in Betrieb ging.
Nur gerade bei 40 dieser Kollisionen kam es dazu, dass die schwache Kraft ein einzelnes Top-Quark hervorbrachte (jeweils in Verbindung mit einem Bottom-Quark). Kaum eine andere Interaktion ist gemäss den bekannten physikalischen Gesetzen ist seltener als dieser Entstehungsweg.
Schwer wie ein Gold-Atom
„Die Messung eines so seltenen Prozesses ist beeindruckend, und sie lässt erahnen, wie man mit kleinen Abweichungen von theoretischen Vorhersagen auf neue Phänomene stossen kann“, sagt Martina Bucciantonio, eine italienische Nachwuchsforscherin, die am Fermilab arbeitete und die heute am CERN tätig ist.
Das Top-Quark ist das schwerste aller Elementarteilchen, schwerer noch als das Higgs-Teilchen, und ebenso schwer wie ein Gold-Atom. Top-Quarks wurden weltweit erst an zwei Orten erzeugt: am Tevatron des Fermilab und am LHC des CERN in Genf.
Viel häufiger als über die schwache Kraft entstehen Top-Quarks über die starke Kraft. In diesem Fall entsteht ein Teilchenpaar aus einem Top-Quark und seinem Antiteilchen – dem Anti-Top-Quark.
BV (veröffentlicht am 25. 2. 2014)