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Allgemein

Spiegelverkehrte Welt

Jetzt ist es amtlich: Das Universum existiert. Der Beweis, daß Teilchen und Antiteilchen nicht spiegelsymmetrisch sind, elektrisiert zur Zeit die Physiker. Neben wissenschaftlicher Erkenntnis geht es um Millionen, um Ruhm und Ehre und natürlich um den Nobelpreis.

24. Februar 1999, ein Seminarraum am Fermilab in Chicago: Die Zuhörer drängeln sich, um den feierlichen Augenblick ja nicht zu verpassen. Alle halten den Atem an, als Doktorand Peter Shawhan endlich das Resultat bekanntgibt: „Unser Ergebnis sagt, daß Epsilon strich über Epsilon den Wert 28 plus oder minus 4,1 mal zehn hoch minus 4 ergibt.“ 0,0028 – eine kleine Zahl, die in der Fachwelt für eine große Sensation sorgte. Auch wenn es der Rest der Welt nicht mitbekam: ep/e=0,0028 gibt uns Menschen die Sicherheit, daß wir existieren. Wäre der Wert gleich Null – wie die Theoretiker früher vermuteten -, gäbe es unser Universum gar nicht. Des Rätsels Lösung liegt in der Kinderstube unseres Kosmos: Damals gab es neben der Materie, wie wir sie kennen, noch genausoviel Antimaterie. Jedes Elementarteilchen hat einen Zwillingsbruder mit entgegengesetzter Ladung: Das negativ geladene Elektron ist mit dem Positron verschwistert, das positiv geladene Proton mit dem negativen Antiproton – das gilt für alle Mitglieder des Teilchenzoos. Wenn sich Teilchen und Antiteilchen berühren, zerstrahlen sie augenblicklich zu reiner Energie. Würde ein Mensch aus Materie einem aus Antimaterie die Hand reichen, gäbe es eine Explosion, die 50000mal so stark wäre wie die Atombombe von Hiroshima.

Bei den vielen Teilchenzusammenstößen in unserem Universum bliebe es nicht unbemerkt, wenn große Teile davon aus Antimaterie bestünden. Deshalb gilt als sicher, daß es im Universum keine Antimaterie gibt – außer natürlich in den Teilchenbeschleunigern der Physiker, wo sie in rauhen Mengen hergestellt wird. Eine winzige Asymmetrie – die sich in dem Wert ep/e ausdrückt – muß also gleich nach dem Urknall dafür gesorgt haben, daß am Ende des Vernichtungskampfes von Materie und Antimaterie ein kümmerlicher Rest Materie übrigblieb, der heute unser Universum ist. Dieser Rest ist ungefähr ein Zehnmilliardstel der ursprünglichen Materie. Symmetrieverletzungen waren in den letzten Jahrzehnten ein wichtiges Thema der Teilchenphysik. Es begann Mitte der fünfziger Jahre, als die Verletzung der einfachsten Symmetrieart, der Parität (P) entdeckt wurde. Bis dahin dachte man, daß alle physikalischen Gesetze – von der Mechanik des Makrokosmos bis zur Quantenmechanik des Mikrokosmos – gleich bleiben, wenn man sie im Raum spiegelt. So sollte es zum Beispiel beim Zerfall von Atomkernen egal sein, wenn der Spin – vereinfacht gesagt: die Drehrichtung – der Elementarteilchen im Atomkern umgekehrt wird. Daß dies jedoch nicht immer gilt, bewies der Experimentalphysiker Chien Shiung Wu von der Universität Columbia 1957 beim Zerfall von Kobalt 60. Es dauerte nicht lange bis die Forscher entdeckten, daß die Paritätsverletzung erst die Spitze des Eisberges war. Auch die Ladungssymmetrie (C) kann nämlich verletzt werden – Materie und Antimaterie sind also doch nicht so symmetrisch. Die gute Nachricht: Die C-Verletzung wird ausgeglichen, wenn man C und P kombiniert. Während C und P für sich keine universell gültigen Symmetrien darstellen, schien die Kombination CP von der Natur respektiert zu werden. „Das war für die Physiker eigentlich nur ein schwacher Trost“, meint Gerry Bauer vom Massachusetts Institute of Technology. Doch auch diese Freude währte nicht lange. Die beiden amerikanischen Physiker James Cronin und Val Fitch wiesen 1964 in einem aufsehenerregenden Experiment nach, daß neutrale K-Mesonen, auch Kaonen genannt, hin und wieder in zwei Pionen zerfallen. Dieser Zerfall deutet indirekt auf eine Verletzung der perfekten CP-Symmetrie hin. Die CP-Verletzung war für alle ein großes Rätsel, bis der sowjetische Physiker Andrej Sacharow einige Jahre später zeigte, daß sie sogar eine notwendige Bedingung war, damit sich unser Universum Millisekunden nach dem Urknall gegen die Zerstrahlung mit Antimaterie zur Wehr setzen konnte. Auch das bewährte Standardmodell der Teilchenphysik, das alle Elementarteilchen mit einer einheitlichen Theorie beschreibt, sagt die CP-Verletzung voraus.

Trotzdem galt die CP-Verletzung nicht als hundertprozentig bewiesen. Eine Theorie von Lincoln Wolffenstein von der Carnegie- Mellon-Universität postulierte eine mysteriöse fünfte Kraft, die sogenannte superschwache Kraft, die den Kaonen-Zerfall ebenfalls erklären konnte und damit die Welt auch ohne CP-Verletzung wieder in Ordnung brachte. Um zu entscheiden, ob Teilchen und gespiegelte Antiteilchen nun symmetrisch sind oder nicht, mußten sich die Physiker also neue Experimente ausdenken, die nicht nur eine indirekte, sondern eine direkte CP-Verletzung nachweisen konnten. Eines dieser Experimente ist KTeV (Kaonen am Tevatron-Beschleuniger) am Fermilab in Chicago, dessen Ergebnisse Peter Shawhan im Frühjahr präsentierte. Das Team hatte eine zweite Unregelmäßigkeit gefunden, die unter zehn Millionen Ereignissen nur einmal auftritt und die CP-Verletzung direkt nachweist. Einige der Fermilab-Forscher waren nach eigener Aussage geschockt über den relativ hohen Wert für ep/e – statt mit 0,0028 hatten sie mit einem Wert zwischen 0,0004 und 0,0017 gerechnet. Wichtiger als die Größe des Meßergebnisses ist, daß sich diese Abweichung nicht mehr mit Lincoln Wolffensteins superschwacher fünfter Kraft erklären läßt. Jenseits des Atlantik, beim europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf, rieb man sich angesichts der vermeintlichen Neuigkeiten aus Chicago verwundert die Augen. Schon 1988 hatte der CERN-Physiker Heinrich Wahl ein ähnliches Ergebnis verkündet. Für ep/e erhielt er damals einen Wert von 0,0023. „Allerdings reichten diese Experimente nicht aus, um den Effekt sicher zu beweisen“, spielte der Sprecher des Fermilab-Teams, Bruce Winstein, Wahls Ergebnisse herunter. Das sah man in Genf offenbar anders – drei Tage nach der Bekanntgabe schickte CERN ein höhnisches Gratulationsschreiben: „Die CERN-Physiker gratulieren ihren Kollegen vom Fermilab zu ihren aufregenden neuen Daten über die direkte CP-Verletzung beim neutralen Kaon-Zerfall, welche die Ergebnisse, die schon früher am CERN gefunden worden sind, mit größerer Genauigkeit bestätigen“ – wobei die Formulierung „schon früher am CERN“ mehr als einmal im Text auftauchte.

Wahl selbst äußerte sich erstaunt über die Verlautbarung des Fermilab: „Wir dachten, wir hätten die direkte CP-Verletzung schon vor zehn Jahren entdeckt.“ Am 21. Juni 1999 schob das CERN eine weitere Meldung nach, die besagte, daß Pascal Debu, Sprecher des Genfer NA48-Experiments, nach Analyse von zehn Prozent der Daten schon heute eine Bestätigung der früheren CERN-Ergebnisse belegen könne. James Cronin und Val Fitch sind fein heraus – die beiden Physiker erhielten im Jahr 1980 den Nobelpreis für ihre Entdeckung der CP-Verletzung. Daß die Fortsetzung ihrer Arbeit jetzt zu Eifersüchteleien zwischen Wissenschaftlern diesseits und jenseits des Atlantik führt, braucht sie nicht groß zu kümmern. Natürlich geht man offiziell höchst freundlich und kollegial miteinander um, gratuliert sich gegenseitig und betont, daß man das ja alles auch schon gewußt habe. Die Giftpfeile lauern hinter den Kulissen. Dort geht es um viele Millionen Dollar Fördergelder für die Labors, um die Fortführung extrem teurer Experimente und um Hunderte von Arbeitsplätzen. So muß das CERN derzeit eine wissenschaftliche Durststrekke überwinden, bis 2005 endlich der neue Beschleuniger LHC (Large Hadron Collider) in Betrieb geht, dessen Bau große Teile der Belegschaft absorbiert. Auch am Fermilab war der wissenschaftliche Output seit der Entdeckung des Top-Quarks vor fünf Jahren eher gering. Bezeichnenderweise stammen die Erkenntnisse zur CP-Verletzung bei beiden Teams aus älteren Daten, die zu diesem Zweck noch einmal durchforstet wurden. Vor allem aber geht es um den Nobelpreis. Denn wer als erster die direkte CP-Verletzung zuverlässig nachweisen kann, hat ihn so gut wie sicher. So beeilte sich US-Energieminister Bill Richardson sofort, dem Team in Chicago zu gratulieren und den Erfolg gleich auf die Fahnen seiner eigenen Behörde zu schreiben: „Vor 35 Jahren entdeckten Wissenschaftler in einem anderen Labor des Energieministeriums, daß es einen Unterschied in dem Verhalten von Materie und Antimaterie gibt. Nun haben Physiker an unserem Fermilab einen riesigen Schritt für das Verständnis dieser Unsymmetrie zwischen Materie und Antimaterie gemacht. Ich bin stolz auf die Rolle des Energieministeriums bei den Fortschritten in der Erforschung der Mechanismen, nach denen das Universum funktioniert.“ Natürlich sind die Kollegen in Chicago und Genf nicht die einzigen Rivalen. Rund um den Globus arbeiten andere Wissenschaftler an denselben Fragen, sei es am HERA-Speicherring am Hamburger DESY oder am KLOE-Experiment in Frascati, Italien; auch die Pläne für den LHC am CERN sehen solche Experimente vor.

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Während aber diese Anlagen im allgemeinen die Kaonen durch den Zusammenstoß von Protonen und Antiprotonen erzeugen, wollen zwei Teams einen ganz anderen Weg gehen: Am KEK in Japan und am SLAC in Kalifornien nehmen in diesen Tagen zwei sogenannte „B-Fabriken“ ihren Betrieb auf. Hier werden durch den Zusammenstoß von Elektronen mit ihren Antiteilchen, den Positronen, ganze Schwärme von B-Mesonen erzeugt, die viel besser als K-Mesonen dazu geeignet sind, die CP-Verletzung zu demonstrieren. „Während K-Mesonen ein Klavier mit nur drei Tönen darstellen, bieten die B-Mesonen alle Tasten des Klaviers“, vergleicht der britische Physiker Ken Peach die flüchtigen Teilchen. In beiden Anlagen werden die Elektronen und Positronen fast mit Lichtgeschwindigkeit aufeinandertreffen und in viele Elementarteilchen zerplatzen. In riesigen Detektoren erzeugen die Bruchstücke Spuren, die man anschließend analysiert. Die Japaner nennen ihren Detektor liebevoll Belle, während die Amerikaner ihren nach dem Elefanten in Laurent DeBrunhoffs Büchern BaBar getauft und ihn grau gestrichen haben. Da diese Art, Hinweise auf eine CP-Verletzung zu suchen, wesentlich weniger Datenmüll produziert als die konventionellen Beschleuniger, hofft die Wissenschaftlergemeinde, daß sie das Rätsel der CP-Verletzung bald endgültig lösen kann.

Aller guten Dinge sind drei

C nicht, P nicht und CP leider auch nicht: Die Spiegelung eines Teilchens im Raum und die Umkehrung der Ladung sind ebensowenig symmetrisch wie ihre Kombination. Doch Physiker hassen solche Asymmetrien. Deshalb haben sie nach einem dritten Parameter gesucht, der die Unregelmäßigkeit ausgleicht – und im vergangenen Jahr die Antwort gefunden (bild der wissenschaft 2/1999, „Kein Weg zurück“). CERN-Forscher zeigten, daß sich Kaonen seltener in Antikaonen verwandeln als umgekehrt. Mit anderen Worten: Die Zeit läuft vor- und rückwärts unterschiedlich schnell – die Zeit ist folglich nicht spiegelsymmetrisch. Im Paket – CPT-Symmetrie genannt – ist die Welt der Physiker aber wieder in Ordnung. In der Presseerklärung gelang den CERN-Forschern ein Meisterstück in Sachen Selbstdarstellung: „Früheren Berichten des CPLEAR-Teams (Name des CERN-Experiments), zahlreichen wichtigen Konferenzen seit 1995 und neueren CPLEAR-Veröffentlichungen folgend, wurde die Verletzung der Zeitsymmetrie später auch vom KTeV-Experiment am Fermilab bestätigt.“ Völlig korrekt: Das Fermilab veröffentlichte seine Ergebnisse fünf Tage nach CERN.

Brigitte Röthlein

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Sumpf|zy|pres|se  auch:  Sumpf|zyp|res|se  〈f. 19; Bot.〉 Angehörige einer an sumpfigen Stellen gedeihenden Gattung amerikan. Nadelbäume mit hellgrünen Nadeln u. Luftwurzeln: Taxodium … mehr

Ein|horn  〈n. 12u; Zool.〉 pferdeähnliches Fabeltier mit einem Horn auf der Stirn

Stein|krie|cher  〈m. 3; Zool.〉 Angehöriger einer Ordnung der Hundertfüßer: Lithobiomorpha

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