Top-Quark: Auf der Spur des Einzelgängers

Zwei internationalen Forscherteams ist es gelungen, mit Hilfe des Tevatron-Beschleunigers einzelne Top-Quarks nachzuweisen. Das äußerst schwere und kurzlebige Top ist noch exotischer als sein Bruder Bottom - und war bisher nur paarweise nachzuweisen

Zugegeben - unter seinesgleichen ist das Top-Quark ein Riese. Mit einer Masse von 172 GeV/c hoch 2 ist es über 40 Mal schwerer als sein Bruder, das Bottom-Quark, das etwa im Vergleich zu Up- oder Down-Quark selbst schon ein Gigant ist. Dass Top so schwer ist und fast die Masse eines Gold-Atomkerns erreicht, erleichtert die Suche nach ihm aber keineswegs, ganz im Gegenteil: Seine Lebenszeit ist nämlich äußerst kurz, sie lässt sich nur in Zehntel von Millionstel Millionstel Millionstel Millionstel Sekunden messen und liegt bei 4 * 10 hoch minus 25 Sekunden. Dadurch fehlt ihm sogar die Zeit, Teil irgendeines spannenden Hadrons zu werden.

Der "CDF-Detektor". Er hat ungefähr die Größe eines dreistöckigen Hauses und wiegt etwa 6000 Tonnen. Der Detektor zeichnet den Weg, die Energie und die Ladung der Teilchen auf, die aus der Kollision hervorgehen.

Wie stets behelfen sich die Wissenschaftler damit, in den Überbleibseln einer Elementarteilchen-Reaktion nach verräterischen Spuren zu suchen. Das gelang ihnen beim Top-Quark erstmals schon vor 14 Jahren - allerdings entstanden im damaligen Experiment jeweils Paare von Top-Quarks als Ergebnis einer starken Wechselwirkung, also der Grundkraft der Physik, die den Zusammenhalt der Atomkerne erklärt. Die Theorie sagt allerdings voraus, dass Top-Quarks auch mit Hilfe der schwachen Wechselwirkung zu erzeugen sein müssten - und zwar als Einzelgänger, nicht paarweise. Die schwache Wechselwirkung kommt bei Interaktionen von Quarks und Leptonen zum Zuge.

Offenbar ist es aber in der Praxis überaus kompliziert, entsprechend beweiskräftige Spuren davon zu finden. Das sieht man schon auf den ersten Seiten der Paper, die die beteiligten Forscherteams nun eingereicht haben (Paper 1, Paper 2). Zig Forscher aus zahlreichen Universitäten und Instituten stehen auf der Autorenliste. Schwierig war es dabei vor allem, die überaus schwachen und seltenen Signale aus dem starken Untergrund herauszufiltern.

Immerhin entsteht nur bei einer von 20 Milliarden Proton-Antiproton-Kollisionen in der Folge auch ein Top-Quark. Über die Jahre gelang es jedem der beiden Teams immerhin, aus einem immens umfangreichen Datenmaterial einige hundert Kollisionen als Kandidaten für eine Top-Quark-Entstehung zu extrahieren. Genug jedenfalls, um die Fehlerwahrscheinlichkeit so weit zu drücken, dass die Forscher sich nun trauen, tatsächlich von der Entdeckung einzelner Top-Quarks zu sprechen.

Top-Quarks können bei einer Kollision von Proton und Antiproton auf zwei verschiedenen Wegen entstehen. In Fall a) erzeugen ein Quark und ein Antiquark ein W-Boson, das in ein Top-Quark und ein Anti-Bottom-Quark zerfällt.

In Fall b) wechselwirken ein Gluon und ein Quark, woraufhin das Quark ein W-Boson emittiert, während das Gluon ein Bottom-Quark und ein Anti-Bottom-Quark erzeugt. Danach wechselwirkt das W-Boson mit dem Bottom-Quark und erzeugt ein einzelnes Top-Quark. Ganz gleich, wie es entstand, ist das Top-Quark sehr kurzlebig und zerfällt zum Beispiel in ein Bottom-Quark, ein Lepton (etwa ein Myon) und ein Neutrino. (Bilder: Dzero-Collaboration)

Das hat mehr als rein statistische Implikationen - es bestätigt zum einen erneut das bewährte Standardmodell der Physik (das trotzdem nicht der Weisheit letzter Schluss sein kann). Zum anderen erhöht es die Hoffnung, oder besser Vorfreude, der Forscher auf das Higgs-Teilchen, das im Standardmodell für die Entstehung der Masse maßgeblich ist. Denn auf der Suche nach dem Higgs-Boson stehen die Wissenschaftler vor sehr ähnlichen Problemen, was das Ausfiltern des massiven Hintergrunds betrifft.

Das Tevatron, der Beschleunigerring des Fermilab, hat einen Umfang von etwa sechs Kilometern und kann Protonen auf eine Energie von rund 1,96 Teraelektronenvolt beschleunigen (Foto: Fermilab)

Und nicht zuletzt gehört die seltene Entstehung einzelner Top-Quarks auch zu den möglichen Hintergrundereignissen bei der Higgs-Suche - da muss man schon wissen, wie sich Top bemerkbar macht. Dass nun ausgerechnet das amerikanische Tevatron diesen Erfolg vermelden kann, dürfte den Forschern am europäischen CERN bei aller kollegialen Begeisterung sauer aufstoßen - erhöht es doch die Chancen des Tevatron, dem noch immer still liegenden LHC-Beschleuniger auch bei der Suche nach dem Higgs-Teilchen zuvor zu kommen.

Der "DZero-Detektor" zeichnet Teilchen auf, die aus Proton-Antiproton-Kollisionen hervorgehen, die im Tevatron produziert werden.

http://www.heise.de/tp/artikel/29/29886/1.html