Wie stark ist die schwache Kraft?

Eine neue Messung der Lebensdauer des Myons liefert einen hochpräzisen Wert für die Stärke der schwachen Kraft

Detektor zur Messung der Myonen-Lebensdauer
Detektor zur Messung der Myonen-Lebensdauer

Villigen (Schweiz) - Die so genannte "schwache Kernkraft" ist eine der vier Grundkräfte der Natur. Obwohl wir im Alltag kaum Vorgängen begegnen, welche durch die schwache Kraft bestimmt werden, ist sie doch von wesentlicher Bedeutung - ohne sie würden beispielsweise die Sterne nicht leuchten. Beim so genannten "Wasserstoffbrennen", mit dem normale Sterne einen großen Teil ihrer Energie erzeugen, verschmelzen zwei Protonen zu einem Deuteriumkern, der aus einem Proton und einem Neutron besteht. Dabei wandelt sich also ein Proton in ein Neutron um, was nur dank der schwachen Kernkraft möglich ist.

Die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung - eine weitere der vier Grundkräfte - sind eigentlich zwei Aspekte einer einzelnen Wechselwirkung. Diese wird als elektroschwache Wechselwirkung bezeichnet, und ihre Stärke wird durch drei Parameter festgelegt; einer davon ist die so genannte Fermi-Konstante. Sie ist ein Maß für die Stärke der schwachen Kraft. Nun hat ein internationales Forscherteam am Paul Scherrer Institut (PSI) in der Schweiz Experimente durchgeführt, dank denen die Fermi-Konstante mit einzigartiger Genauigkeit bestimmt werden konnte. Die Ergebnisse erscheinen demnächst in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters".

Der neue Wert der Fermi-Konstante wurde durch eine hochpräzise Bestimmung der Lebensdauer des Myons ermöglicht. Das Myon ist ein instabiles Elementarteilchen mit negativer Ladung. Nach rund zwei Mikrosekunden zerfällt es in ein Elektron, ein Neutrino und ein Antineutrino.

Der Zerfall des Myons und auch der seines Antiteilchens (Antimyon) werden allein von der schwachen Kernkraft bestimmt. Aus der Lebensdauer des Myons beziehungsweise des Antimyons lässt sich somit die Fermi-Konstante bestimmen und damit die Stärke der schwachen Kernkraft.

Das so genannte MuLan-Experiment (Muon Lifetime Analysis) nutzt Antimyonen, die an der Beschleunigeranlage des Paul Scherrer Instituts (PSI) in der Schweiz erzeugt wurden. Antimyonen sind positiv geladen, bei ihrem Zerfall entsteht ein Positron, ein Neutrino und ein Antineutrino. "Das Herzstück des Experiments waren spezielle Targets - Auffangscheiben -, in denen immer wieder Gruppen von ankommenden positiven Myonen gestoppt wurden", erklärt Bernhard Lauss vom PSI das Prinzip des Experiments. "Der Strahl wurde dann jeweils rasch abgeschaltet, wobei rund 20 Myonen im Target steckenblieben. Mit der Zeit zerfiel jedes dieser Myonen und sandte dabei als Zeichen seines Zerfalls ein schnelles Positron - ein positiv geladenes Elektron - aus."

Die Positronen wurden von 170 Detektoren nachgewiesen, die das Target in Form eines riesigen Fussballs umgaben. Robert Carey von der Universität Boston fügt hinzu: "Wir haben den Vorgang für 100 Milliarden Myonenpakete wiederholt, dabei Billionen von einzelnen Zerfällen beobachtet und 100 Terabyte an Daten gesammelt, die später im Supercomputer des amerikanischen Nationalen Hochleistungsrechenzentrums (NCSA) in Illinois ausgewertet wurden. Aus diesen Daten wurde die Verteilung der Lebenszeiten der einzelnen Myonen erstellt und daraus die mittlere Lebensdauer bestimmt, für die sich der Wert 2.1969803 ± 0.0000022 Mikrosekunden ergab."

Der Wert der Myonen-Lebensdauer ist damit mehr als 15-mal genauer als bei allen vorherigen Experimenten. Damit lässt sich für die Fermi-Konstante der Wert 0,00001166 378 8(7) GeV hoch -2 bestimmen.