Präzisionstests der elektroschwachen Wechselwirkung

Die Gültigkeit des Standard-Modells wurde in den vergangenen Jahren an mehreren Beschleunigeranlagen auf die Probe gestellt: Bei LEP in Genf, SLC in Stanford, Tevatron in Chicago und HERA in Hamburg wurde eine Fülle von Daten aufgezeichnet und analysiert. Die Ergebnisse bestätigen alle Vorhersagen des Standard-Modells mit sehr hoher Genauigkeit, zum Teil auf besser als ein Promille. Damit hat sich das Standard-Modell als grundlegende Theorie etabliert. Jede weiterführende Theorie wird deshalb das Standard-Modell als Spezialfall enthalten müssen. Die Eigenschaft der elektromagnetischen und der Schwachen Kraft konnten dabei besonders genau unter die Lupe genommen werden.

Mit dem Elektron-Positron-Collider LEP beim europäischen Forschungszentrum CERN in Genf wurden die Eigenschaften der neutralen und geladenen Kraftteilchen der Schwachen Wechselwirkung, der Z- und W-Teilchen, mit hoher Genauigkeit bestimmt. Indem man gemessen hat, wie oft bei Kollisionsexperimenten Z-Teilchen entstehen, konnte man die Anzahl der leichten Neutrinoarten auf 2,984 ± 0,008 eingrenzen. Dieses Ergebnis bedeutet, dass es nur drei Familien von Leptonen und Quarks gibt.

Der experimentelle Beweis dafür, dass es nur drei Neutrinoarten gibt.

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Der experimentelle Beweis dafür, dass es nur drei Neutrinoarten und damit nur drei Familien von Materieteilchen gibt: Dargestellt ist die Häufigkeit, mit der Teilchen, die aus Quarks zusammengesetzt sind, in Elektron-Positron-Zusammenstößen erzeugt werden, in Abhängigkeit von der Kollisionsenergie. Die Anzahl der Neutrinofamilien beeinflusst die Breite und Höhe der Kurve: Je mehr Arten von Neutrinos es gibt, umso breiter ist die Kurve. In der Abbildung werden die Daten aller vier LEP-Experimente (Punkte) mit den Kurven verglichen, die man für zwei, drei und vier Neutrinofamilien erwartet. Aus den Daten ergibt sich die Anzahl der Neutrinofamilien zu 2,984 ± 0,008.

Die Masse des Z-Teilchens ist ein wichtiger Parameter der elektroschwachen Wechselwirkung, den man sehr genau gemessen hat. Die Messung ergab einen Wert von (91,187 ± 0,002) GeV, dessen Genauigkeit zehnmal größer ist, als bei der Planung von LEP erwartet. Diese große Präzision wurde durch Verbesserungen am Beschleuniger, an der Experimentiertechnik und der Datenauswertung möglich.

Auch die Häufigkeiten, mit denen das Z-Teilchen in Neutrinos, geladene Leptonen und Quarks zerfällt, stimmen in hervorragender Weise mit den Vorhersagen des Standard-Modells überein. Die Messungen sind so genau, dass sogar der Einfluss von Teilchen auf die Zerfallsprozesse nachgewiesen werden kann, die zu schwer sind, als dass sie LEP direkt erzeugen könnte. So ließ sich die Masse des Top-Quarks vorhersagen, bevor dieses Teilchen am Tevatron-Collider bei Fermilab in Chicago tatsächlich nachgewiesen werden konnte.

Ein weiterer wichtiger Parameter ist das Verhältnis der Kopplungskonstanten der elektromagnetischen und der Schwachen Wechselwirkung. Es gibt an, wie stark die elektromagnetische Kraft im Vergleich zur Schwachen Kraft ist. Dieses Verhältnis wurde mit hoher Genauigkeit zu 0,2315 ± 0,0002 bestimmt; es hat sich zu einer Schlüsselgröße der Teilchenphysik entwickelt. Die theoretische Vorhersage dieses Parameters bildet nicht nur den Prüfstein für die Vereinheitlichung aller Kräfte, sondern stellt auch die wichtigste experimentelle Stütze für die Erweiterung des Standard-Modells im Rahmen so genannter supersymmetrischer Großer Vereinheitlichter Theorien dar.

Elektromagnetische und Schwache Kraft lassen sich durch ein "elektroschwaches" Konzept beschreiben.

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Elektromagnetische und Schwache Kraft lassen sich mit Hilfe eines gemeinsamen "elektroschwachen" Konzepts beschreiben: Die Abbildung zeigt den Beitrag beider Kräfte bei Positron-Proton-Zusammenstößen in Abhängigkeit vom Abstand der Teilchen. Nach rechts hin werden die Abstände kleiner. Bei Abständen, die größer als die Reichweite der Schwachen Kraft sind, dominiert die elektromagnetische Kraft. Bei kleinen Abständen wird der Einfluss beider Kräfte ungefähr gleich groß. Die Vorhersagen des Standard-Modells (durchgezogene Kurven) stimmen mit den Messergebnissen ausgezeichnet überein.

Da die Protonen im Gegensatz zu den Elektronen in kreisförmigen Beschleunigern fast keine Energie verlieren, kann man Protonen in Ringbeschleunigern auf weit höhere Energien beschleunigen als Elektronen. Lässt man die Protonen und ihre Antiteilchen, die Antiprotonen, frontal kollidieren, so kann man dadurch viel schwerere Teilchen erzeugen als z. B. durch Kollisionen von Elektronen und Positronen. Am Proton-Antiproton-Speicherring Tevatron gelang es 1994, das Top-Quark direkt nachzuweisen. Seine Masse stimmte auf 6 % genau mit der Vorhersage aus den LEP-Experimenten überein. Diese Tatsache belegt, dass das Standard-Modell in sich schlüssig ist. Bis zur Inbetriebnahme des nächsten Hadronen-Colliders, des im Bau befindlichen LHC am CERN, im Jahr 2007, schafft das Tevatron die besten Voraussetzungen, das Standard-Modell bei hohen Energien zu testen. Indem man die W- und Z-Teilchen sowie ihre Wechselwirkung untersucht, will man die physikalischen Grundlagen des Standard-Modells einer weiteren wichtigen Überprüfung unterziehen.

Wie sich bei Experimenten mit dem Elektron-Proton-Collider HERA bei DESY in Hamburg gezeigt hat, lassen sich die elektromagnetische und die Schwache Wechselwirkung im Rahmen eines gemeinsamen elektroschwachen Modells beschreiben. Wenn ein Positron mit einem Proton zusammenstößt, können zwei Arten von "Streuprozessen" stattfinden. Die Kollisionspartner können entweder ein neutrales Teilchen austauschen - ein Photon (das Kraftteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung) oder ein Z-Teilchen (eines der Kraftteilchen der Schwachen Wechselwirkung) - oder aber ein geladenes W-Teilchen (ebenfalls ein Kraftteilchen der Schwachen Wechselwirkung) Vergleicht man die gemessenen Raten der beider Prozesse, so zeigt sich: Wenn das Elektron beim Zusammenstoß mit dem Proton nur wenig Impuls Q auf das Proton überträgt, ist die elektromagnetische Kraft um Größenordnungen stärker als die schwache Wechselwirkung Bei großem Impulsübertrag hingegen, wenn Q etwa 80 GeV erreicht und damit der Masse des W-Teilchens entspricht, sind beide Kräfte ungefähr gleich stark. Wie gut das Standard-Modell die experimentellen Daten über viele Größenordnungen beschreibt, zeigt die untenstehende Abbildung. Aus der Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment lassen sich außerdem weitere Schlüsse ziehen: So erscheinen die Quarks und Elektronen selbst auf einer Längenskala von 10^-18 m, also bei enormer Vergrößerung, als punktförmige Teilchen.