Schwache Ladung des Protons genau gemessen

  • 09. May 2018

Streuexperiment nutzt Paritätsverletzung der schwachen Wechselwirkung.

Das Proton unterliegt der elektro­magnetischen wie auch der schwachen Wechsel­wirkung, die verant­wortlich ist für den Beta­zerfall eines Neutrons in ein Proton, ein Elektron und ein Anti­neutrino. Deshalb besitzt das Proton neben seiner elek­trischen Ladung auch eine schwache Ladung. Sie spielt etwa bei der Kollision eines Elektrons mit einem Proton eine Rolle. Dabei tauschen das Elektron und das Proton virtuelle Photonen und Z0-Bosonen aus. Die Photonen koppeln an die elek­trischen Ladungen der Kollisions­partner und die Z0-Bosonen an deren schwache Ladungen.

Abb.: Die Streuung eines „rechts­händigen“ Elektrons (li.) an einem Proton verläuft anders als der gespie­gelte Vorgang (re.), da die schwache Wechsel­wirkung (Z0, rote gestrichelte Linie) die Parität oder Spiegel­symmetrie verletzt. Sie lenkt das „links­händige“ und das „rechts­händige“ Elektron in dieselbe Richtung, während die elektro­magnetische Wechsel­wirkung (γ, blaue Wellenlinie) sie in spiegel­symmetrische Richtungen ablenkt. (Bild: The Jefferson Lab Qweak Collaboration, NPG)

Abb.: Die Streuung eines „rechtshändigen“ Elektrons (li. o.) an einem Proton (re.) verläuft anders als der gespiegelte Vorgang (li. u.), da die schwache Wechselwirkung Z0 die Parität oder Spiegelsymmetrie verletzt. Sie lenkt das „linkshändige“ und das „rechtshändige“ Elektron in dieselbe Richtung, während die elektromagnetische Wechselwirkung γ sie in spiegelsymmetrische Richtungen ablenkt. (Bild: The Jefferson Lab Qweak Collaboration, NPG)

Allerdings ist die schwache Wechsel­wirkung viel schwächer als die elektro­magnetische, sodass die schwache Ladung sich normaler­weise nicht bemerkbar macht. Zudem hat die elektro­magnetische Wechsel­wirkung eine unendlich große Reich­weite, während die schwache Wechsel­wirkung kaum über das Proton hinaus­reicht. Dennoch tritt der Einfluss der schwachen Wechsel­wirkung unter bestimmten Bedin­gungen deutlich zu Tage, sodass man die schwache Ladung sehr genau messen kann, wie jetzt die Jef­ferson Lab Qweak Colla­boration gezeigt hat.

Dabei nutzten die Forscher aus, dass die schwache Wechsel­wirkung im Gegensatz zur elektro­magnetischen die Paritäts­erhaltung verletzt. Das heißt, dass bei bestimmten durch die schwache Wechsel­wirkung verur­sachten Prozessen das Spiegelbild eines beobach­teten Vorgangs nicht auftreten kann. So sind die beim Beta­zerfall entstehenden Anti­neutrinos stets „rechts­händig“, also Flug­richtung und Spin erfüllen die Rechte-Hand-Regel und zeigen in dieselbe Richtung, während sie im gespie­gelten Experiment „linkshändig“ wären.

Bei ihren Experi­menten haben die Forscher einen Tank gefüllt mit flüssigem Wasser­stoff mit spinpo­larisierten Elektronen beschossen, die von der Continuous Electron Beam Acce­lerator Facility (CEBAF) am Jefferson Lab auf eine Energie von 1,16 GeV beschleunigt worden waren. Teilchen­detektoren zählten die Elektronen, die durch die Kollision mit den Protonen im Tank in bestimmte Richtungen abgelenkt wurden. Bei einem Experiment wurden die Elektronen­spins so präpariert, dass sie in Flug­richtung zeigten, beim anderen Experiment zeigten sie in die entgegen­gesetzte Richtung.

Abb.: Der Versuchsaufbau: Der Elektronenstrahl kommt von rechts und trifft auf das Target. Die gestreuten Elektronen werden von Tscherenkow-Detektoren registriert. (Bild: The Jefferson Lab Qweak Collaboration)

Abb.: Der Versuchsaufbau: Der Elektronenstrahl kommt von rechts und trifft auf das Target. Die gestreuten Elektronen werden von Tscherenkow-Detektoren registriert. (Bild: The Jefferson Lab Qweak Collaboration)

Die schwache Wechsel­wirkung zwischen den kolli­dierenden Elektronen und Protonen führte wegen der Paritäts­verletzung dazu, dass die Zählraten bei den beiden Experi­menten sich geringfügig unter­schieden. Traf ein „rechts­händiges“ Elektron auf ein Proton, so wurde es relativ zu einer bestimmten Ebene nach oben abgelenkt. Betrachtet man die an dieser Ebene gespiegelte Kollision, so ist das Elektron jetzt „linkshändig“ und müsste nach unten abgelenkt werden. Für die elektro­magnetische Wechsel­wirkung traf das zu, jedoch für den Beitrag der paritäts­verletzenden schwachen Wechsel­wirkung nicht. Sie lenkte das Elektron weiterhin nach oben ab.

Aus den gemessenen Zähl­raten ermittelten die Forscher die Streuquer­schnitte für die beiden Elektronen­polarisa­tionen. Die Differenz der Streuquer­schnitte geteilt durch ihre Summe ergab die Paritäts­verletzungs­asymmetrie A, die den Einfluss der schwachen Wechsel­wirkung auf die Elektron-Proton-Streuung quanti­fizierte. Demnach war A = (-226,5 ± 9,3) ∙10-9. Dieses Ergebnis ist viel genauer als die Resultate aller früheren Messungen der Paritäts­verletzung bei der Streuung von Elektronen an Atomkernen. Aus der Asymmetrie berech­neten die Wissen­schaftler die schwache Ladung des Protons: Qw = 0,0719 ± 0,0045. Dieses Ergebnis wiederum stimmt hervor­ragend mit dem Wert überein, den das Standard­modell der Teilchen­physik vorhersagt.

Das Experiment am Jefferson Lab ist ein weiteres Beispiel dafür, wie man mit relativ kleinen Teilchen­energien aber hoher Messge­nauigkeit die Grenzen des Standard­modells ausloten und damit die Arbeit des Large Hadron Collider ergänzen kann. So folgern die Forscher aus ihren Ergeb­nissen, dass bei Hochenergie­experimenten sich erst für Teilchen­energien von mehreren TeV eine mögliche weitere Wechsel­wirkungsart bemerkbar machen könnte, die zu Ab­weichungen von den Vorher­sagen des Standard­modells führen würde.

Rainer Scharf

JOL

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