Paritätsverletzung bei Quarks nachgewiesen

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Wenn man das Universum an der Ecke packt und von links auf rechts dreht, dann hat man eine Paritätsspiegelung vorgenommen 1. Glücklicherweise haben Physiker*innen etwas einfache Methoden entwickelt, um die Paritätsspiegelung zu untersuchen. Denn man kann zwar erwarten, dass jede doch recht einfache Operation dieser Art die Gesetze der Physik nicht ändert, aber in einer der fundamentalen Wechselwirkungen ist sie es nicht.

Der Nachweis der Paritätsverletzung im radioaktiven Zerfall von Kobalt-60 durch Chien-Shiung Wu in Zusammenarbeit mit den Theoretikern Lee und Yang 2 ist eines der berühmtesten Experimente aller Zeiten. Die Schwache Wechselwirkung wirkt auf geringen Skalen, und wird oft von den anderen Wechselwirkungen überdeckt, außer in radioaktiven Zerfällen.

Das Wu-Experiment verwendete Magnetfelder, um Atomkerne auszurichten, um dann aus der Richtung der Elektronen aus dem Zerfall des Kerns darauf zu schließen, dass Parität verletzt wurde. Wäre sie es nicht, hätten Elektronen gleich stark in beide möglichen Richtungen ausgesandt werden müssen – das tataen sie aber nicht.

Auch am Quark

Neben Elektronen nehmen auch Quarks, die Bausteine von Protonen und Neutronen, an der Schwachen Wechselwirkung teil. Messungen der Paritätsverletzung in Schwachen Wechselwirkungen an Quarks sind aber noch erheblich schwieriger, da Quarks nicht außerhalb der Kernbestandteile existieren, und da auch die elektromagnetische Wechselwirkung für den gleichen Prozess verantwortlich sein könnte, sogar sehr vie wahrscheinlicher.

Der einfachere Fall, Elektronen an Atomkernen zu streuen, war 1978 am SLAC gelungen, und die Assymetrie durch die Paritätsverletzung war beobachtet worden. Dies zeigte aber nur den Beitrag der unterschiedliche ausgerichteten Elektronen am Kern als solches, doch auch Quarks selbst sollten je nach Ausrichtung unterschiedlich reagieren.

Und so ist erst jetzt zum ersten Mal ein Experiment gelungen, in denen Elektronen an einzelnen Quarks gestreut wurden. In diesem Experiment wurden Elektronen abwechselnd unterschiedlicher Ausrichtung 3 mit hoher Energie in Deuterium geschossen. Ausreichend hoher Energie, um einzelne Quarks aus den Kernen zu schießen (die dann sofort neue Teilchen bilden, da sie ja nie einzeln existieren). Über zwei Monate konnte die Jefferson Lab PVDIS-Kollaboration genug Daten sammeln, um den sehr geringen Unterschied in der Reaktion der Quarks je nach Parität zu messen (1:10000).

Die Fehler der Messung sind aber noch recht groß. Wenn man es schafft, die Präzision stark zu erhöhen, könnte man weiter gehen: Nachweisen, dass das Standardmodell der Physik genau stimmt, oder aber dass weitere fundamentale Wechselwirkungen existieren, z.B. die manchmal erwartete Superschwache Wechselwirkung, die sich in weiteren noch kleineren Abweichungen bemerkbar machen könnte, und neue Physik darstellen würde.

Kleine Seitenhiebe

Zuletzt muss ich mich noch kurz über die Kollaboration wundern, die Teile ihres Abstracts für quasi-politische Statements verwendet:

Whereas contemporary particle physics research is focused on high-energy colliders such as the Large Hadron Collider, our results provide specific chirality information on electroweak theory that is difficult to obtain at high energies. Our measurement is relatively free of ambiguity in its interpretation, and opens the door to even more precise measurements in the future.

Das ist doch ein Hieb gegen die Bevorzugung von Großexperimenten wie LHC. Es ist natürlich eine wichtige Beobachtung, dass kleinere aber spezialisierte Experimente ebenso wichtig und wertvoll sind, aber warum gerade das im Abstract aufkommen muss, verstehe ich nicht ganz.

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  1. und ist in einer guten Position, das Universum in den Vollwaschgang zu stecken
  2. die mit dem Nobelpreis belohnt wurden während Wu als Frau übergangen wurde
  3. Um den Beitrag der Elektronen auszuschließen