Kapitel 4
Teilchenzoo, Quarks und Wechselwirkungen

1  Neue Teilchen und eine neue Wechselwirkung

Zusammenfassung des Buchkapitels:

Im Jahr 1932 waren nur das Proton, das Neutron, das Elektron und das Photon bekannt. Man glaubte, damit die elementaren Bausteine der Materie gefunden zu haben. Doch dann fand man immer neue Teilchen, meist erzeugt durch die kosmischen Höhenstrahlung: Neutrinos, Myonen, Pionen und viele andere. Bis auf die Neutrinos sind alle diese Teilchen sehr kurzlebig und zerfallen in leichtere Teilchen. Im Buchkapitel werden die Teilchen genauer vorgestellt.

Die einzigen stabilen Teilchen sind das Proton, das Elektron und die drei nahezu masselosen Neutrinos, die man Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino nennt. Dazu kommen noch die jeweiligen Antiteilchen sowie das Photon. Das freie Neutron ist nicht stabil (es ist nur in den Atomkernen stabil, die eine genügend große Bindungsenergie aufweisen).

Schaut man sich die Teilchenzerfälle wie die oben dargestellte Zerfallskaskade an, so stellt man fest, dass es eine neue fundamentale Wechselwirkung geben muss: die sogenannte schwache Wechselwirkung. Insbesondere Neutrinos spüren weder die elektromagnetische noch die starke Wechselwirkung, sondern nur die schwache Wechselwirkung. Ohne die schwache Wechselwirkung wäre das freie Neutron stabil und die Sonne könnte in ihrem Zentrum keine Energie über Kernfusion erzeugen.

Die schwache Wechselwirkung besitzt eine extrem kurze Reichweite (mehr als 500-mal kleiner als die starke Kernkraft), was ihre geringe Stärke erklärt. Daher durchdringen Neutrinos die komplette Erde fast ungehindert. Die schwache Wechselwirkung wirkt auf alle Teilchen außer dem Photon (und dem Gluon) ein, wobei sie allerdings oft neben den anderen Wechselwirkungen nicht ins Gewicht fällt. Bei Zerfällen, die aufgrund der Struktur der anderen Wechselwirkungen alleine nicht möglich wären, wird ihre universelle Wirkung sichtbar.

Zusatzinformationen:

Heute habe ich etwas Schreckliches getan, etwas, was kein theoretischer Physiker jemals tun sollte. Ich habe etwas vorgeschlagen, was nie experimentell verifiziert werden kann.

Who ordered that?

a) zur kosmischen Höhenstrahlung

a) zur kosmischen Höhenstrahlung

Viele der neuen Teilchen wurden zuerst in der kosmischen Höhenstrahlung entdeckt. Diese Höhenstrahlung entsteht in der oberen Erdatmosphäre vorwiegend durch den Aufprall hochenergetischer Protonen, die aus den Tiefen des Weltalls kommen und dort von der Sonne, Sternen, Supernova-Explosionen, Pulsaren und Jets schwarzer Löcher erzeugt werden.

Etwa 1000 Protonen pro Sekunde treffen so auf jeden Quadratmeter der oberen Erdatmosphäre. Je höher die Protonenergie dabei ist, umso seltener kommen solche Protonen vor. So kommen Protonen mit 10¹² eV (also 1 TeV) nur noch mit einer Rate von etwa 10 Teilchen pro Quadratmeter und Minute vor, und Protonen mit 10²⁰ eV (weit mehr als die am LHC erreichbaren Energien) gibt es nur noch etwa eines pro Quadratkilometer in 200 Jahren. Noch größere Protonenergien wurden bisher nicht beobachtet.

Auf ihrem Weg zur Erde tauchen die Protonen in die zunehmend dichter werdende Erdatmosphäre ein und kollidieren typischerweise in einer Höhe von etwa 20 bis 30 km mit Atomkernen der Luft. Die getroffenen Atomkerne werden dabei regelrecht zerschmettert und es enstehen ganze Schauer aus weiteren, meist sehr kurzlebige Teilchen. Ein Proton mit 10¹⁵ eV kann so bis zu eine Million Sekundärteilchen erzeugen. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Protonen und Neutronen aus den zerschmetterten Atomkernen sowie um neu erzeugte Pionen.

Während die neutralen Pionen zerstrahlen und dabei 2 Photonen aussenden, zerfallen die geladenen Pionen über die oben abgebildete Zerfallskaskade in einer Höhe von typischerweise 10 km in Myonen und Neutrinos, wobei die Myonen dann weiter in Elektronen (oder Positronen) und weitere Neutrinos zerfallen. Die meisten Teilchen des Schauers dringen also nicht bis zur Erdoberfläche vor – Myonen schaffen es noch relativ oft. Die entstandenen Neutrinos durchdringen sowohl die Luft als auch die gesamte Erde fast ungehindert, denn nur über die schwache Wechselwirkung können sie gelegentlich mit Materie in Wechselwirkung treten.

Die Tatsache, dass die Myonen teilweise bis zur Erdoberfläche vordringen können, ist zunächst überaschend. Die mittlere Lebensdauer eines Myons beträgt nämlich nur etwa 2,2 Mikrosekunden, was einem Lichtweg von etwa 660 Metern entspricht. Wie will es dann die typischerweise etwa 5 bis 10 km bis zur Erdoberfläche schaffen?

Das geht nur, weil aufgrund der relativistischen Zeitdilatation ein sehr schnelles Myon langsamer zerfällt. In den Zusatzinfos zu Kapitel 3.2 haben wir eine Formel hergeleitet, welche die Zeitspanne \(d\tau\), die das Myon "empfindet", mit der Zeitspanne \(dt\), die wir auf der Erdoberfläche empfinden, in Beziehung setzt. Diese Formel lautet \[ dt = \gamma \, d\tau \] Dabei ist \[ \gamma = \frac{1}{\sqrt{(1 - (v/c)^2}} \] der Lorentzfaktor und \(v\) ist die Geschwindigkeit des Myons.

Diese Geschwindigkeit \(v\) ist fast gleich der Lichtgeschwindigkeit \(c\), so dass durchaus \( \gamma \)-Werte im Bereich von 10 häufig vorkommen. Da zudem \[ E = m \gamma c^2 \] ist, bedeutet das, dass die entsprechenden Myonenergien beim Zehnfachen der Myon-Ruhemasse (ca. 106 MeV) liegen, also im Bereich von 1 GeV. Ein solches Myon zerfällt von der Erdoberfläche aus gesehen 10-mal langsamer als ein ruhendes Myon, so dass sich eine mittlere Zerfallszeit von 22 Mikrosekunden ergibt, was einer mittleren Wegstrecke von 6600 Metern entspricht. Das reicht dafür aus, dass ein deutlicher Anteil der Myonen es bis zur Erdoberfläche schafft. Ohne Einsteins spezielle Relativitätstheorie wäre das anders.

Literatur:

• Wikipedia: Kosmische Strahlung

• Welt der Physik: Kosmische Strahlung (Franziska Konitzer)