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Teilchenphysik : Schwergewichtiges Quark

Längst stillgelegt: CDF-Detektor am Tevatron-Beschleuniger Bild: Fermilab

Aus Messwerten, die am Fermilab und am Cern gewonnen wurden, ist die Masse des Top-Quarks neu berechnet worden. Er dient nun als Prüfstein für das Standardmodell.

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          Die Masse des Top-Quarks, des massereichsten aller Elementarteilchen, ist aus vier unabhängigen Messungen neu ermittelt worden. Sie beträgt danach 173,34 Milliarden Elektronenvolt (Gigaelektronenvolt, kurz GeV) mit einer Unsicherheit von 0,76 GeV. (Die Masse des Protons beträgt 0,938 GeV.) Der frühere Wert, der sich aus Messungen von Teilchenzerfällen mit dem Tevatron-Beschleuniger am Fermilab bei Chicago ergeben hat, belief sich auf etwa 175 GeV. Nun hat man die Massenwerte für das Top-Quark miteingerechnet, die am europäischen Forschungszentrum Cern bei Genf mit dem Large-Hadron-Collider ermittelt worden sind.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Wenn auch die Differenz zwischen dem alten und neuen Wert - sie entspricht etwa zwei Protonenmassen - vergleichsweise klein erscheinen mag, die sich daraus ergebenden Konsequenzen sind für die Teilchenphysiker um so bedeutsamer. Denn der neue,  präzisere Wert fließt als wichtiger Parameter in das Standartmodells der Elementarteilchenphysik ein, mit dem die Physiker den Aufbau der Materie und die Eigenschaften von drei der insgesamt vier Naturkräften theoretisch beschreiben.

          Top-Quarks aus der Teilchenfabrik

          Das Top-Quark steht in einer sensiblen Quantenbeziehung zum W-Boson, dem Austauschteilchen der elektroschwachen Wechselwirkung, und zum Higgs-Feld, dem Quell aller Teilchenmassen. Die genaue Kenntnis der Masse des Top-Quarks erlaubt es den Wissenschaftlern, geringste Abweichungen von den Vorhersagen des Standardmodells festzustellen und bislang unbekannte physikalische Effekte aufzuspüren.

          Seit seiner Entdeckung 1995 am Fermilab wurden in Chicago in den darauffolgenden 25 Jahren insgesamt 300 000 Top-Quark-Ereignisse bei Proton-Antiprotonen-Kollisionen nachgewiesen. Am Cern hat bislang sogar 18 Millionen Ereignisse registriert, seit Beginn der Proton-Proton-Kollisionsexperimente im Jahr 2009. Für den neuen Massenwert des Top-Quarks hat man die Daten der Experimente D0 und CDF am Fermilab und der Experimente CMS und Atlas am Cern herangezogen (siehe Artikel in der Online-Datenbank arXiv). Da das Top-Quark nur Sekundenbruchteile existiert, lässt es sich  nur indirekt über seine Zerfallsprodukte nachweisen. Dazu nutzen die Teilchenphysiker gewaltige Detektoren, mit denen sie auch die Eigenschaften der Sekundärteilchen vermessen. Aus den Ergebnissen  schließen die Teilchenphysiker letztlich  auf die Masse des Schwergewichts.

          Der Large Hadron Collider wird derzeit auf seine maximale Kollisionsenergie von 14 000 Gigaelektronenvolt aufgerüstet. 2000 GeV  betrug zuletzt die Kollisionsenergie des Tevatron-Beschleunigers bis zu seiner Stillung im Jahr 2011.

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