Elektron-Quark-Streuung neu vermessen

Spiegelsymmetrie ist eine Eigenschaft, die sich an vielen Stellen in der Natur zeigt, etwa bei den regelmäßigen Kristallformen von Schneeflocken. Auch bleiben die physikalischen Abläufe für drei der vier physikalischen Grundkräfte – Gravitation, Elektromagnetismus und starke Wechselwirkung – die gleichen, wenn man sie räumlich spiegelt. Für die vierte Kraft, die sogenannte schwache Wechselwirkung, gilt das jedoch nicht. Eine internationale Kollaboration von Teilchenphysikern hat diese Verletzung der Spiegelsymmetrie nun direkt in der Streuung von Elektronen an Quarks gemessen – fünfmal präziser als in einem 35 Jahre alten Vorgängerexperiment. Von ihren Ergebnissen berichten die Forscher im Fachblatt „Nature“.

Für ihre Streuversuche wählten die Forscher der Jefferson Lab PVDIS Collaboration das Wasserstoffisotop Deuterium, dessen Atomkern aus genau einem Proton und einem Neutron besteht. Auf eine etwa zwanzig Zentimeter lange Deuteriumprobe richteten sie dann abwechselnd einen Strahl aus rechts- und linkshändigen Elektronen mit einer Energie von rund sechs Gigaelektronenvolt. „Händigkeit“ meint dabei eine quantenmechanische Eigenschaft der Elektronen, die sich nicht durch räumliche Spiegelung ineinander überführen lässt – so wie die rechte Hand eines Menschen im Spiegel nicht mit der linken übereinstimmt. Die beiden Elektronenstrahlen wurden sowohl über die elektromagnetische als auch über die schwache Wechselwirkung an den Quarks der Deuteriumkerne gestreut.

Eine raumfüllende Messanlage in einer Halle, bestehend aus vielen Geräten, Kabeln und Leitern.
Spektrometer am Jefferson Lab

„Bei dieser Art von Streuversuchen übertragen die Elektronen ihren Impuls auf die Nukleonen und brechen sie auseinander“, erklärt Koautor Xiachao Zheng von der University of Virginia in Charlottesville. Innerhalb von zwei Monaten detektierten die Forscher mit zwei hochauflösenden Spektrometern etwa 170 Milliarden Elektronen, die mit den Quarks in den Deuteriumkernen wechselwirkten. Dabei entdeckten Zheng und seine Kollegen einen Unterschied: Die Anzahl dieser Wechselwirkungen unterschied sich, je nachdem, ob es sich bei den einfallenden Elektronen um rechts- oder linkshändige handelte. Aus dieser Differenz schlossen die Forscher, dass die Spiegelsymmetrie bei der Streuung von Elektronen an Quarks verletzt wird – ein Effekt, der von der schwachen Wechselwirkung herrührt. Zudem konnten sie zeigen, dass auch der Eigendrehimpuls der Quarks, der sogenannte Spin, einen Anteil an der Symmetriebrechung hat.

Damit konnten die Forscher eine Vorhersage des Standardmodells der Teilchenphysik bestätigen. Ihre Messung war sogar fünfmal präziser als ein Vorgängerexperiment, das vor rund 35 Jahren am Stanford Linear Accelerator Center durchgeführt wurde. Das vorgestellte Experiment setzt nach Angaben der Autoren neue Grenzen für die Energien, bei denen Teilchenforscher künftig nach einer Physik jenseits des Standardmodells suchen müssen.