Der schwachen Kernkraft auf der Spur
Experimente eines internationalen Forscherteams am Paul Scherrer Institut (PSI) liefern mit einer neuen Messung der Lebensdauer des Myons einen hochgenauen Wert, der für die Bestimmung der Stärke der schwachen Kernkraft oder Wechselwirkung entscheidend ist.
Einer der wesentlichen Erfolge zum verbesserten Verständnis der subatomaren Welt war in den Siebzigerjahren des vergangenen Jahrhunderts der Nachweis, dass die schwache Kernkraft und die elektromagnetische Wechselwirkung – zwei der vier Grundkräfte der Physik – eigentlich Aspekte einer einzigen Wechselwirkung sind, die als elektroschwache Wechselwirkung bezeichnet wird. Die Stärke dieser Wechselwirkung wird durch insgesamt drei Parameter festgelegt. Einer davon ist die sogenannte Fermi-Konstante. Dem Forscherteam am PSI ist es nun gelungen, diese Konstante mit einzigartiger Genauigkeit zu bestimmen.
Lebensdauer des Myons als Schlüssel zur Stärke der schwachen Kernkraft
Der neue Wert der Fermi-Konstante beruht auf der hochpräzisen Bestimmung der Myonen. Das Myon ist ein instabiles Elementarteilchen, das mit einer mittleren Lebensdauer von rund 2 Mikrosekunden zerfällt. Diesen Zerfall bestimmt alleine die schwache Kernkraft. Über einen einfachen Zusammenhang kann aus der Lebensdauer des Myons die Stärke der schwachen Kernkraft ermittelt werden.
Messung 100 Milliarden Mal wiederholt
Unter der Leitung von Wissenschafter der University of Illinois, der Boston University und der University of Kentucky hat das Forscherteam am sogenannten MuLan-Experiment (Muon Lifetime Analysis) Myonen genutzt, die an der Beschleunigeranlage des PSI im aargauischen Villigen erzeugt wurden. Bernhard Lauss vom PSI erklärt das Prinzip des Experiments so: «Das Herzstück des Experiments waren spezielle Targets – Auffangscheiben –, in denen immer wieder Gruppen von positiven Myonen gestoppt wurden.» Diese Myonen senden beim Zerfall Positronen aus, die wiederum von 170 kugelförmig um das Target angeordneten Detektoren nachgewiesen wurden. Robert Carey von der Universität Boston fügt hinzu: «Wir haben den Vorgang für 100 Milliarden Myonenpakete wiederholt, dabei Billionen einzelner Zerfälle beobachtet und 100 Terabyte an Daten gesammelt.» Aus diesen Daten wurde die mittlere Lebensdauer der Myonen bestimmt, für die sich der Wert von 2,1969803 Mikrosekunden ergab. Die Unsicherheit dieses Ergebnisses beträgt gerade mal 2 Pikosekunden. Die Ergebnisse sollen laut PSI in Kürze in der Fachzeitschrift Physical Review Letters erscheinen.
Quelle
M.B. nach PSI, Medienmitteilung, 25. Januar 2011