Montag, 23. Mai 2022

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Die schwache Seite der Physik

Physik. - Bei Kernspaltung und werden enorme Energien frei gesetzt. Dahinter steckt indes eine elementare Kraft des Mikrokosmos, die Physiker als die "schwache Kraft" bezeichnen. US-Forscher konnten jetzt erstmals ihren exakten Wert bestimmen.

Von Frank Grotelüschen | 19.09.2005

"Die schwache Kraft zählt zu den vier Naturkräften, die wir heute kennen. Sie verursacht den radioaktiven Zerfall. Die schwache Kraft ist es, die das Uran zur Kernspaltung veranlasst. "

Er hat ein Faible für die schwache Seite der Physik: Steve Rock, Professor an der Universität von Massachusetts, wollte möglichst präzise herausfinden, wie mickrig sie denn nun wirklich ist – die schwache Kraft. Also initiierte er mit 60 Kollegen ein aufwändiges Experiment: Mit dem SLAC, einer drei Kilometer langen Teilchenkanone in Kalifornien, feuerten die Physiker Abermillionen von Elektronensalven auf einen Tank, der gefüllt war mit Wasserstoff. Nicht wenige der rasenden Elektronen schrammten dabei haarscharf an einem Wasserstoffatom vorbei und wurden ein kleines bisschen aus der Bahn geworfen – was die Forscher mit Spezialsensoren messen konnten. Dann begann die Datenanalyse. Und die war nicht ganz ohne.

"Es ist wie bei einer Ozeanwelle. Treffen auf dem Meer zwei Wogen aufeinander, türmen sie sich zu einer großen Welle auf. Dann kann man die beiden Wellen nicht mehr auseinander halten, man sieht nur noch eine große Welle. Die Schwierigkeit bei unserem Experiment war es nun, trotzdem die beiden Einzelwellen zu erkennen, aus denen sich die große Welle zusammensetzt."

Die eine der beiden Einzelwellen – die größere – entspricht der elektromagnetischen Kraft, die zwischen den vorbei rauschenden Elektronen und dem ruhenden Wasserstoff wirkt. Die andere Welle – die kleinere – entspricht der schwachen Kraft. Sie ist in etwa um das Zehntausendfache kleiner als die elektromagnetische Kraft. Normalerweise hätten die Physiker nicht die geringste Chance gehabt, die beiden Kräfte in ihrem Versuch auseinander zu halten. Doch ihnen kam ein seltsamer Effekt zu Hilfe. Und zwar besitzen Elektronen einen Eigendrall, Spin genannt. Wie ein Kreisel können sich die Teilchen entweder links herum drehen – nennen wir sie Linkshänder – oder aber rechts herum, das wären die Rechtshänder. Das Entscheidende: Die Linkshänder unter den Elektronen reagieren öfter auf die schwache Kraft als die Rechtshänder – eine feine, aber messbare Asymmetrie der Natur. Also schossen die Physiker erst linkshändige Elektronen auf den Wasserstofftank, dann rechtshändige. Anschließend verglichen sie die jeweiligen Messkurven miteinander.

"Die große Welle, also die elektromagnetische Kraft, ist bei beiden Kurven identisch. Unterschiedlich ist nur die kleine Welle, also die schwache Kraft. Als wir dann die eine Kurve von der anderen subtrahierten, blieb nur noch das Signal für die kleine Welle übrig, die schwache Kraft."

Das Resultat: ein scharfes Profil der schwachen Kraft, in einigen Bereichen deutlich präziser als bei älteren Messungen. Und zwar nimmt die schwache Kraft mit der Entfernung genauso ab wie es die gängige Theorie der Teilchenphysik erwartet, das Standardmodell. Da sollte doch eigentlich alles in Butter sein für Steve Rock und seine Leute – oder etwa nicht?

"Einerseits ist das Standardmodell ja eine wirklich schöne Theorie, mit der sich viele Phänomene verstehen lassen. Andererseits wissen wir, dass mathematisch gesehen mit dieser Theorie etwas ganz grundsätzlich nicht stimmen kann. Und wir sind schon ein wenig enttäuscht, dass wir nicht auf eine Schwachstelle gestoßen sind, die uns verrät, was genau da nicht stimmt. "

Hätten die Physiker tatsächlich einen Bruch im Standardmodell entdeckt, wäre das ein Hinweis gewesen auf ein neues, bislang unbekanntes Teilchen. Und neue Teilchen sind in der Physik ja immer gut für einen Nobelpreis.