Labo Online - Analytic, Labortechnik, Life Sciences
Home> Labortechnik> Physikalische Messtechnik>

Myonen - Seltenheit eines Teilchenzerfalls vermessen

Terahertz-KalorimetrieWie sich Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält

Hat Idee des Terahertz-Kalorimeters realisiert: Martina Havenith

Chemikerinnen und Chemiker der Ruhr-Universität Bochum haben eine neue Methode entwickelt, mit der sie Veränderungen in der Energie und Struktur von Wassermolekülen in der Umgebung gelöster Moleküle erfassen können. 

…mehr

Seltenheit eines Teilchenzerfalls vermessen500000 Mal unwahrscheinlicher als ein Lottogewinn

Die moderne Physik hat eine große Zahl theoretischer Ansätze entwickelt, mit denen sich die Welt der Elementarteilchen beschreiben ließe. Nun müssen Experimente aussortieren, welche Theorien der Realität standhalten. Eines davon ist das sogenannte MEG-Experiment am Paul Scherrer Institut PSI.

MEG-Experiment

In einer Zusammenarbeit mit Forschenden aus Italien, Japan, Russland und den USA suchen PSI-Physiker nach einem bestimmten, bislang jedoch noch nie beobachteten Zerfall von Elementarteilchen namens Myonen. Genauer gesagt beziffern sie, wie hoch die Unwahrscheinlichkeit für eben diesen Zerfall ist. Ihre neueste Zahl lautet: Höchstens eines von 2,4 Billionen Myonen zerfällt nach dem MEG-Muster. Damit ist ein solcher Zerfall rund fünfhunderttausend Mal unwahrscheinlicher als ein Sechser im Schweizer Lotto.

Für diese hochgenaue Messung haben die Forschenden extrem viele Myonenzerfälle beobachtet, was nur hier am PSI möglich war, wo sich die weltweit leistungsstärkste Myonenstrahl-Anlage befindet. Die PSI-Forschungsgruppe bricht daher zum wiederholten Mal ihren eigenen Weltrekord bei der Vermessung der MEG-Wahrscheinlichkeit. Das aktuelle Forschungsergebnis präsentierten die Forschenden nun auf der internationalen Konferenz „Les Rencontres de Physique de la Vallée d'Aoste“ in La Thuile, Italien.

Anzeige

Es sind exotische Elementarteilchen, die auch noch sehr kurzlebig sind: Myonen zerfallen praktisch direkt nach ihrer Entstehung in andere, stabilere Teilchen. Sie können dabei jedoch unterschiedliche Zerfallspfade einschlagen, das heißt: Entweder resultiert aus dem Zerfall diese oder aber jene Gruppe von Teilchen. Ein ganz besonderer dieser Zerfallspfade ist zwar noch nie beobachtet worden, ist aber für Physiker von großem Interesse: Der Zerfall eines Myons in ein Elektron und ein Lichtteilchen. Dieser wird auch kurz MEG-Zerfall genannt, für Myon-Elektron-Gamma, wobei Gamma das Lichtteilchen bezeichnet.

Klar ist bislang, dass ein MEG-Zerfall extrem selten ist. Wie selten genau, das wollen Forschende am Paul Scherrer Institut mit dem MEG-Experiment beziffern. Sie erhoffen sich dabei die Entdeckung einer sogenannten neuen Physik – und damit eine Tür zu bisher ungeklärten Phänomenen im Universum. Aufgrund der neuesten Messungen der Forschenden, die wieder keinen einzigen MEG-Zerfall zutage brachten, lässt sich nun sagen: Die Wahrscheinlichkeit für diesen Zerfall ist kleiner als 1 zu 2,4 Billionen und damit rund fünfhunderttausend Mal unwahrscheinlicher als sechs Richtige im Schweizer Lotto.

Das MEG-Experiment kann Theorien zum Universum überprüfen
Diese experimentell ermittelte Zahl ist ein relevanter Parameter für theoretische Physiker, die mathematische Modelle entwickeln, mit denen sich nichts weniger als unser gesamtes Universum beschreiben lässt. Manche dieser Theorien – darunter das derzeit gebräuchliche Standard-Modell der Teilchenphysik – besagen, dass der MEG-Zerfall so gut wie nie vorkommt und damit unmöglich zu beobachten ist. Das Standard-Modell ist ein umfassendes Konzept, das sehr 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.

Darum suchen Wissenschaftler weltweit nach einer neuen Physik. Diese würde dargestellt durch eine Theorie, die die Vorhersagen des Standard-Modells beinhaltet, jedoch auch darüber hinausgeht – und damit unser Universum umfassender beschreibt. Eine vielversprechende Gruppe von Theorien ist Susy, kurz für Supersymmetrie. Viele der theoretischen Modelle aus der Susy-Familie sagen eine Wahrscheinlichkeit für den MEG-Zerfall voraus, die so hoch liegt, dass sich dieses Ereignis am PSI früher oder später beobachten lassen sollte. Mit jeder noch genaueren Messung, bei der der Zerfall nicht gefunden wird, lässt sich daher eine Reihe alternativer Theorien verwerfen.

Fünf Jahre lange Messung – an der weltweit leistungsstärksten Myonenquelle
Die neu bezifferte Unwahrscheinlichkeit des MEG-Zerfalls erhielten die Forschenden durch die Auswertung von Daten, die sie am PSI zwischen 2009 und 2013 beinahe kontinuierlich sammelten. Nicht nur die lange Messzeit war erforderlich, um das nun vorliegende Ergebnis zu erhalten – auch die Versuchsdurchführung am PSI war entscheidend: Hier befindet sich die weltweit leistungsstärkste Myonenanlage, an der sich pro Sekunde rund 30 Millionen Myonenzerfälle beobachten lassen. Nur dank dieses hohen Durchsatzes konnten die Forschenden in den fünf Jahren ganze 2,4 Billionen Myonen und ihre Zerfälle vermessen. Der entscheidende MEG-Zerfall war nicht dabei – und so kommen sie auf die neue Obergrenze der Wahrscheinlichkeit für diesen Zerfall.

Kein Fund – und doch ein bedeutendes Ergebnis
Obgleich also der MEG-Zerfall nicht gefunden wurde, sehen die beteiligten Forschenden ihr Experiment als Erfolg an. „Dadurch, dass wir den Zerfall bisher nicht gesehen haben, können wir die gedankliche Linie verschieben, hinter der nach einer neuen Physik gesucht werden muss“, erklärt Angela Papa, Teilchenphysikerin am PSI und Koautorin der neuen Studie. „Und sollten wir eines Tages doch einen MEG-Zerfall beobachten, wäre das ein starker Hinweis auf neue Physik.“

Das bedeutet bislang nicht, dass ein gesamter theoretischer Ansatz wie beispielsweise die Supersymmetrie verworfen werden muss, sondern lediglich individuelle Modelle innerhalb solcher Theorie-Familien.

Ihr MEG-Experiment und damit die Suche nach dem Zerfall werden die PSI-Forschenden auch in Zukunft verfeinern und fortsetzen. Ob der Zerfall eines Tages nun beobachtet wird oder nicht – die Messergebnisse werden in jedem Fall wesentlich zu unserem Wissen um die fundamentalen Strukturen der Materie beitragen.

Text: Paul Scherrer Institut/Laura Hennemann

Weiterführende Informationen:
http://psi.ch/UxpB – Erkenntnis aus dem Nichts
http://psi.ch/UWvM – Ein entscheidender Zerfall
http://psi.ch/6ZDr – Die Vermessung der Gleichzeitigkeit

Kontakt/Ansprechpartner:
Dr. Angela Papa
Labor für Teilchenphysik, Paul Scherrer Institut
E-Mail: angela.papa@psi.ch (Englisch, Italienisch)

Dr. Stefan Ritt
Labor für Teilchenphysik, Paul Scherrer Institut
E-Mail: stefan.ritt@psi.ch (Deutsch, Englisch)

Anzeige

Weitere Beiträge zum Thema

Kernteilchen

ElementarteilchenphysikEin Teilchen aus reiner Kernkraft

Berechnungen der TU Wien legen nahe, dass es sich bei dem Meson f0(1710) um ein ganz besonderes Teilchen handelt - um den lange gesuchten „Glueball“, ein Teilchen aus reiner Kraft.

…mehr
Dr. Rosanna Depalo und Dr. Francesca Cavanna

Herkunft der Elemente im UniversumLUNA spürt seltenes Ereignis auf

Ein internationales Wissenschaftlerteam konnte im Gran-Sasso-Labor des Italienischen Nationalen Instituts für Kernphysik (INFN) erstmals eine seltene Kernreaktion nachweisen, die sonst nur in den sogenannten Roten Riesen vorkommt.

…mehr
Schematische Darstellung eines aufgezeichneten Kollisionsereignisses mit zwei Lichtteilchen am ATLAS-Experiment vom 12. Dezember 2015. (Foto/©: ATLAS Collaboration)

Licht-an-Licht-StreuungPhotonen können miteinander kollidieren

Teilchenphysiker am Forschungszentrum CERN bei Genf haben eine 80 Jahre alte Annahme über die Streuung von Lichtteilchen an Lichtteilchen zum ersten Mal in Teilchenkollisionen experimentell beobachtet. So wurde bestätigt, dass die Lichtteilchen, genannt Photonen, wenn sie aufeinandertreffen, miteinander wechselwirken können.

…mehr

Nuklearer TaktgeberBasis für neuartige Kernuhr

LMU-Forscher messen erstmals die Lebensdauer eines exotischen Atomkern-Zustands: Eine wesentliche Voraussetzung, um eine Kernuhr entwickeln zu können, die Zeit noch genauer misst als die heutigen Atomuhren.

…mehr
BASE-Experiment

Beitrag zur Materie-Antimaterie-FrageMagnetische Kraft von Antiprotonen genauestens bestimmt

So offensichtlich es ist, dass Materie existiert, ebenso rätselhaft ist noch immer ihre Herkunft. Denn eigentlich hätte nach den Prinzipien der Teilchenphysik bei der Entstehung des Weltalls genauso viel Materie wie Antimaterie gebildet werden müssen.

…mehr
Anzeige

Bildergalerien bei LABO online

Anzeige

Jetzt den LABO Newsletter abonnieren

LABO Newsletter abonnieren

Der kostenlose LABO Newsletter informiert Sie wöchentlich über neue Produkte, Lösungen, Technologietrends und Innovationen aus der Branche sowie Unternehmensnachrichten und Personalmeldungen.

Anzeige
Anzeige

Mediaberatung