BABAR-Detektor für Experimente mit B-Mesonen.

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Blick auf den 1999 fertig gestellten BABAR-Detektor vor seinem Einbau in die Kollisionszone des PEP-II-Speicherrings. Der Detektor wurde von 1993 an von etwa 500 Physikern aus USA, Kanada, Russland, China, Italien, Großbritannien, Frankreich, Norwegen und Deutschland aufgebaut. 2006 beteiligten sich am Betrieb von BABAR und an der Auswertung der Daten etwa 600 Physiker, davon etwa 40 aus den Universitäten Bochum, Dresden, Dortmund, Heidelberg, Karlsruhe und Rostock.

Materie und Antimaterie gibt es auf allen Etagen der Strukturen in der Natur. Auf der Etage der Atome sind das z.B. Wasserstoff und Antiwasserstoff, auf der Etage der Atomkerne z.B. Proton und Antiproton. Um die Experimente mit K- und B-Mesonen zu verstehen, in denen die Forscher ein unterschiedliches Verhalten von Materie und Antimaterie entdeckt haben, müssen wir uns noch zwei Etagen tiefer begeben, auf die Ebene der bisher kleinsten bekannten Bausteine der Materie, der Leptonen und Quarks (siehe blauer Kasten und wdp-Artikel "Zutaten für ein Universum").

Als Mesonen bezeichnen die Physiker Teilchen, die aus einem Quark und einem Antiquark aufgebaut sind. Als erste wurden 1947 die pi-Mesonen pi-plus π ⁺ = u d und pi-minus π ^- = d u entdeckt. Sie sind, wie alle anderen Mesonen auch, keine stabilen Elementarteilchen, denn sie zerfallen mit sehr kurzer Halbwertszeit in ein Myon und ein Neutrino bzw. Antineutrino. Diese Zerfälle sind mittlerweile gut verstanden: Verantwortlich dafür ist die schwache Kraft - die gleiche Kraft, die in der Sonne die Reaktion Proton + Proton --> (Proton + Neutron) + Positron + Neutrino + Sonnenenergie ablaufen lässt.

Um den Unterschieden zwischen Materie und Antimaterie auf die Spur zu kommen, sind Mesonen von besonderem Interesse, weil sie zur Hälfte aus Materie und zur anderen Hälfte aus Antimaterie bestehen. Außer π ⁺ und π ^- kennen die Teilchenphysiker 18 weitere Mesonen, die durch die schwache Kraft zerfallen. Zwei Paare von diesen, K⁰ = ds (K-null gesprochen) und K⁰ = sd (K-null quer), sowie B⁰ = db (B-null) und B⁰ = bd (B-null quer), haben sich dabei als besonders spannend herausgestellt.

Seltsame K-Mesonen

Exponentieller Zerfall (E) und Zerfallskurve der K-Mesonen (K).

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Die meisten Elementarteilchen zerfallen wie radioaktive Atomkerne nach dem exponentiellen Zerfallsgesetz E. Die blaue Kurve E gibt an, welche Anzahl N von ursprünglich 100.000 Teichen nach der Zeit t noch unzerfallen vorhanden sind. Die rote Kurve K zeigt das davon abweichende Zerfallsgesetz von K⁰- und K⁰

^{Das K0-Meson zerfällt auf viele verschiedene Weisen, am häufigsten in ein π + und ein π -, ebenso wie sein Antiteilchen K0. Seit Ende der 1950er Jahre ist bekannt, dass K0- und K0-Mesonen dabei einem sehr seltsamen Zerfallsgesetz folgen (Abb. 1): Die meisten instabilen Elementarteilchen zerfallen - wie aus dem Zerfall radioaktiver Kerne bekannt - gemäß der Kurve (E) "exponentiell", d.h. nach der so genannten Halbwertszeit ist von einer großen Zahl produzierter Teilchen einer instabilen Sorte nur noch die Hälfte vorhanden, nach weiteren gleich langen Zeiten ein Viertel, ein Achtel usw. K0- und K0-Mesonen dagegen folgen beide der Kurve (K). Die Ursache für dieses seltsame Zerfallsgesetz ist die so genannte K0-K0-Mischung: Die schwache Kraft lässt ein K0-Meson nicht nur zerfallen, sondern erlaubt ihm auch, sich in sein Antiteilchen K0 zu verwandeln; ebenso kann ein K0 in ein K0 übergehen.}

Unterschiedliche Zerfallskurven von K-Mesonen in pi-Mesonen.

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Die Zerfallsgesetze für die ausgewählten Zerfälle K⁰ --> π⁺ π^- (rote Kurve) und K⁰quer --> π⁺ π^- (blaue Kurve) sind verschieden und verletzten damit die CP-Symmetrie. Um dies zu beobachten, muss eine sehr große Zahl N von K⁰- und K⁰-Mesonen produziert werden, weit über eine Million.

Im Jahr 1964 wurde entdeckt, dass die Kurven (K) für K⁰- und K⁰-Mesonen ganz leicht verschieden sind. Deutlicher wird das, wenn man unter allen Zerfällen von K⁰ und K⁰ nur die Zerfälle in π ⁺ π ^- auswählt. Deren Zerfallskurven sind sehr verschieden, wie in Abb. 2 gezeigt. Für diese Entdeckung mit π ⁺ π ^- -Zerfällen wurden Val Fitch und Jim Cronin 1980 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Den Effekt, dass ein Teilchen über ein anderes Gesetz zerfällt als sein Antiteilchen, nennen die Teilchenphysiker "CP-Verletzung". Gemeint ist damit, dass die Symmetrie der Naturgesetze unter den Operationen C (Teilchen-Antiteilchen-Vertauschung) und P (Spiegelung = Rechts-Links-Vertauschung) nicht streng gültig ist, sie ist verletzt.

Nebenbei sei bemerkt, dass im K-Zerfall, so wie hier beschrieben, nur die C- und CP-Symmetrie verletzt sind, nicht jedoch die P-Symmetrie. C-Verletzung ist schon seit 1957 bekannt: Ein Neutrino verhält sich immer wie eine Schraube mit Linksgewinde, ein Antineutrino immer wie eine Schraube mit Rechtsgewinde. Neutrinos, Antineutrinos und die Zerfälle von Myonen und π-Mesonen verletzen sowohl C als auch P, sind aber streng symmetrisch unter der Kombination von erst P und dann C, genannt CP: Ein rechtsgeschraubtes Antineutrino verhält sich unter dieser kombinierten CP-Anwendung völlig gleich wie ein linksgeschraubtes Neutrino. Nun gleichen K- und π-Mesonen aber nicht kleinen Schrauben, sondern kleinen Kugeln. Die Spiegelung eines K ergibt daher wieder das gleiche K. Weil P eine Kugel nicht verändert, sind in den oben geschilderten K-Zerfällen beide Symmetrien C und CP verletzt.

In zahlreichen weiteren Experimenten mit Zerfällen von K-Mesonen zeigte sich, dass die CP-Symmetrie sowohl in den Übergängen K⁰ <--> K⁰ als auch direkt in den Zerfällen der K-Mesonen in π ⁺ π ^- verletzt ist.

BABAR und BELLE: Experimente mit B-Mesonen

Fast vier Jahrzehnte lang war jedoch unklar, welche Naturkraft für die CP-Verletzung im Zerfall von K⁰ und K⁰ in π ⁺ π ^- verantwortlich ist. Mit den großen Fortschritten des Standardmodells der Teilchenphysik (siehe wdp-Artikel "Zutaten für ein Universum") und der Entdeckung der dritten Familie von Quarks und Leptonen (tau-Lepton 1975 und b-Quark 1977) wurde die Möglichkeit aufgezeigt, dass dies gar keine neue Kraft zu sein braucht, sondern dass theoretisch die wohlbekannte schwache Kraft die CP-Symmetrie verletzen kann - und zwar über den Mechanismus der so genannten Quarkmischung (siehe unten). Diese Annahme zu überprüfen, gelang den Forschern 2001 in Untersuchungen mit B-Mesonen, die etwa zehnmal schwerer sind als K-Mesonen und deshalb viel schwieriger zu produzieren sind.

B-Mesonen sind Kombinationen von u-, d-, s- oder c-Quarks mit den Antiquarks b, bei denen wir uns hier auf B⁰ = db und B⁰ = bd beschränken werden. Kurz nach deren Entdeckung fand das ARGUS-Experiment 1986 beim Forschungszentrum DESY in Hamburg heraus, dass beide - genau wie die K-Mesonen - gemäß einem nicht-exponentiellen Gesetz zerfallen. Ähnlich wie bei den K-Mesonen kann sich ein B⁰ durch die schwache Kraft in ein B⁰ verwandeln und umgekehrt.

Diese Entdeckung bereitete den Weg für Experimente zur Suche nach CP-Verletzung in den Zerfällen von B⁰ und B⁰. Das Standardmodell macht hier nämlich eine klare Vorhersage: Wenn die schwache Kraft für die CP-Verletzung bei den K-Mesonen verantwortlich ist, müssten bei den B-Mesonen große und damit relativ leicht zu messende CP-verletzende Effekte auftreten.

PEP-II-Speicherring bei SLAC.

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Von 1994 bis 1998 bauten Physiker und Ingenieure der drei kalifornischen Forschungszentren SLAC, LBNL und LLNL in einem unterirdischen Tunnel bei SLAC den Elektron-Positron-Speicherring PEP-II auf. Der Ring hat einen Umfang von 2,2 km; hier ein Blick in den Tunnel. Der Speicherring besteht aus zwei separaten Vakuumröhren: die obere, von blauen und gelben Magneten umgebene für die Positronen, die untere mit den roten Magneten für die Elektronen. Beide Teilchenstrahlen kollidieren nur in einem Punkt. Dort steht der BABAR-Detektor, der die Kollisionen und die dabei erzeugten B-Mesonen und ihre Zerfälle registriert.

Leider reichte bei DESY die Intensität der erzeugten B-Mesonen dafür nicht aus. Es musste erst ein neuer Beschleuniger, hier ein spezieller Elektron-Positron-Speicherring, und ein neues Experiment gebaut werden. 1993 fiel die Entscheidung für einen solchen Beschleuniger wegen der Wichtigkeit der Frage gleich zweimal, im Forschungszentrum SLAC in den USA und im KEK-Labor in Japan.

Am SLAC wurden von 1994 bis 1999 der Elektron-Positron-Speicherring PEP-II und das Experiment BABAR mit deutscher Beteiligung aufgebaut, während gleichzeitig am KEK der Speicherring KEK-B und das Experiment BELLE auf die Beine gestellt wurden. Die Elektron-Positron-Speicherringe PEP-II und KEK-B werden "B-Mesonen-Fabriken" genannt, weil sie inzwischen etwa 10 B-B-Mesonen-Paare pro Sekunde erzeugen.

Unterschiedliche Zerfallskurven der B-Mesonen.

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Analog zur Abb. 2 sind hier die beobachteten Zerfallsgesetze für die Zerfälle von B⁰-Mesonen in ccquer-Mesonen und K⁰-Mesonen gezeigt (blaue Kurve) sowie die von B⁰quer in cc und K⁰quer (rote Kurve). Die Kurven sind drastisch verschieden; CP-Verletzung zeigt sich schon ganz kurz nach dem Beginn der Zerfälle, und wenige im Detektor registrierte Zerfälle (weniger als 1000) reichen schon aus, um den Effekt zu sehen.

Beide Experimente waren gleichzeitig im Sommer 2001 erfolgreich: BABAR und BELLE beobachteten, wie in Abb. 3 gezeigt, dass B⁰-Mesonen in ihrem Zerfall in cc-Mesonen und K⁰ einem anderen Zerfallsgesetz folgen als B⁰ im Zerfall in cc-Mesonen und K⁰. Diese Verletzung der CP-Symmetrie ist sehr groß und in völliger Übereinstimmung mit den Erwartungen für die schwache Kraft des Standardmodells ohne Einführung einer neuen Kraft.

CP-Verletzung durch die schwache Kraft

Soweit also der Wissensstand von heute: Die schwache Kraft des Standardmodells erzeugt über den Effekt der Quarkmischung CP-Verletzung. Das heißt, ein durch die schwache Kraft verschwindendes s- oder b-Quark geht in eine Mischung von u-, c- und t-Quarks über. Und diese Mischung ist eine andere als die von u, c und t beim Verschwinden eines s oder b.

Sowohl bei den K- als auch den B-Mesonen reicht diese Quarkmischung des Standardmodells völlig aus, um alle bisher im Labor beobachteten CP-verletzenden Effekte zu erklären. Dies schließt CP-Verletzung in den Übergängen K⁰ <--> K⁰ ein, auch das schafft die schwache Kraft. Nach einer CP-Verletzung in den Übergängen B⁰ <--> B⁰ wird übrigens noch gesucht. Mit den Gesetzen von Quarkmischung und schwacher Kraft können wir ausrechnen, wie groß diese ist, aber die Genauigkeit der bisherigen Messungen reicht für einen Nachweis noch nicht aus. In Zerfällen von B-Mesonen war die CP-Verletzung leicht zu finden, als erst einmal eine genügend große Zahl von B⁰ und B⁰ erzeugt worden war.

Konsequenzen für die Antimaterie im Universum

Durch die Zusammenarbeit von Teilchenphysikern und Kosmologen ist in den letzten Jahren leider klar geworden, dass die CP-Verletzung des Standardmodells durch schwache Kraft und Quarkmischung bei weitem nicht ausreicht, um das Verschwinden der Antimaterie im Universum und besonders die Häufigkeit der übrig gebliebenen Materie im Verhältnis zur kosmischen Hintergrundstrahlung zu erklären (siehe wdp-Artikel "Antimaterie im Universum").

Unabhängig davon, ob zur Zeit t = 0 des Urknalls gleich viel Materie und Antimaterie vorhanden war, wovon die meisten Kosmologen ausgehen, oder ob die Geschichte des Universums unsymmetrisch losging - kurz danach waren Temperatur und Dichte so groß, dass Gleichheit entstand. Eine kleine Ungleichheit in der Anzahl von Quarks und Antiquarks, q : q =  1,000000001 : 1, muss bei etwas niedrigeren Temperaturen erzeugt worden sein. Solange wir nicht wissen, wie, können wir auch die entsprechende Temperatur und die entsprechende Zeit nicht angeben. Es kann aber abschätzt werden, was schwache Kraft und Quarkmischung bei etwa 10¹⁵ Grad etwa 10^-10 Sekunden nach dem Urknall zustande bringen können; das ist ein sehr viel kleinerer Unterschied als der oben angegebene.

Im Universum muss also ein anderer Mechanismus gewirkt haben, mit unbekannten Teilchen oder unbekannten Kräften und vermutlich bei noch viel höherer Temperatur als 10¹⁵ Grad. Unter den vielen Spekulationen ist zurzeit eine ziemlich attraktiv: Falls die drei uns bekannten Neutrinos sehr schwere, noch unbekannte Partner haben, könnte die CP-Verletzung in deren Zerfällen für das Verhältnis 1,000000001 : 1 voll verantwortlich sein.

Wann auch immer dieses Verhältnis erzeugt wurde, Quarks und Antiquarks lebten noch lange im heißen Universum nebeneinander. Die große Vernichtung ohne Rückkehr zum Beinahe-Gleichgewicht q + q --> Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung fand erst etwa 1 Minute nach dem Urknall bei einer Temperatur von etwa 10⁹ Grad statt. Die wenigen Quarks, die wegen 1,000000001 : 1 damals übrig blieben, bildeten etwa 400.000 Jahre später die ersten Atome und etwa 1 Milliarde Jahre später die ersten Sterne.

Wir können vermutlich noch lange spekulieren, ob schwere Neutrinos, andere unbekannte Teilchen oder auch andere unbekannte Kräfte das Ungleichgewicht von 1,000000001 : 1 erzeugt haben. Das ist die Hauptmotivation für die Experimente BABAR und BELLE und bald auch für das Experiment LHCb am LHC-Speicherring des Forschungszentrums CERN in Genf (siehe wdp-Artikel "Large Hadron Collider (LHC)), die Zerfälle von B-Mesonen sehr gründlich weiter zu untersuchen. Jede Abweichung der Stärke einer beobachteten CP-Verletzung von der Vorhersage des Standardmodells wäre ein hoch willkommener Hinweis auf neue Teilchen oder neue Kräfte, die uns möglicherweise helfen könnten, den Materie-Überschuss im Universum zu erklären.