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KERNPHYSIK
Zerfall seltsamer Teilchen im Fokus
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Mainz
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12. Mai 2015

Im Teilchenzoo der Physiker gibt es manche seltsame Vertreter, deren Untersuchung allerdings einiges über die Gültigkeit des Standardmodells aussagen könnte. Zu diesen seltsamen Teilchen zählt auch das Kaon, dessen Zerfall im Rahmen eines neuen Experimentes im CERN untersucht werden soll. Ein entsprechender Detektor ist inzwischen auf dem Weg von Mainz nach Genf.

Detektor

Eine Seite des Detektors mit Auslesefasern: Die grünen, lichtleitenden und szintillierenden Fasern werden im Endaufbau das Licht, das die durchgehenden Teilchen im Detektor erzeugen, auf Fotosensoren leiten. Foto: Rainer Wanke, JGU [Großansicht]

Mit einem Schwertransporter haben Wissenschaftler vom Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz nach fast sechsjähriger Bauzeit einen Teilchendetektor auf den Weg ans Forschungszentrum CERN in Genf geschickt. Der Detektor war in einer Lagerhalle im Mainzer Stadtteil Gonsenheim zusammengebaut worden und konnte am 11. Mai aufgeladen werden und seine über 1.000 Kilometer lange Reise via Frankreich nach Genf antreten. Am CERN wird er Teil des sogenannten NA62-Experiments, das im Juli dieses Jahres beginnt.

Das Experiment wird einen äußerst seltenen Zerfall von Kaonen messen. Ein Kaon besteht aus einem Quark und einem Antiquark und gehört zu den "seltsamen Teilchen". Es ist instabil und wurde in den 1940er Jahren erstmals in der Höhenstrahlung entdeckt.

Bei dem Teilchendetektor aus Mainzer Produktion handelt es sich um ein hadronisches Kalorimeter, ein Messgerät, das die Wärmeproduktion bei physikalischen Prozessen erfasst. Seine Grundfläche beträgt etwa drei Meter mal drei Meter bei einer Höhe von einem Meter. Das Gewicht von knapp 40 Tonnen kommt vor allem durch die Eisenschichten in dem Detektor zustande. Wegen seiner Überbreite und des Gewichts ist ein Spezialtransport nötig, um das Kalorimeter an seinen Bestimmungsort zu bringen.

Aus verschiedenen Gründen verläuft die Fahrt jedoch nicht auf dem direkten Weg über die Schweiz, sondern auf Umwegen über Frankreich nach Genf. Dort angekommen, wird der Teilchendetektor in den nächsten Wochen in das NA62-Experiment eingebaut. Dieses Experiment wird den extrem seltenen Zerfall eines geladenen Kaons in ein Pion und zwei Neutrinos messen. Dazu müssen die Kaonen am CERN in großen Mengen erzeugt werden. Bei zehn Milliarden Kaonzerfällen kommt der gesuchte Zerfall mit einem Pion nur einmal vor.

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Weil die Wissenschaftler gerne 100 solcher Zerfälle aufzeichnen möchten, müssen über eine Billion Kaonen produziert und deren Zerfälle untersucht werden. Das Experiment wird den Erwartungen zufolge etwa drei Jahre lang laufen. "Wir hoffen, dass die genaue Zerfallsrate, die wir messen werden, ein wenig von den theoretischen Vorhersagen abweicht und wir damit die lang gesuchte neue Physik jenseits des bekannten Standardmodells finden", erläutert Dr. Rainer Wanke vom Institut für Physik der Universität Mainz. "Wir haben also das gleiche Ziel, wie die großen Experimente am LHC-Beschleuniger des CERN." Wanke ist für den Bau des Mainzer Detektors verantwortlich.

Der Detektor soll die Pionen, die bei dem zu untersuchenden Zerfall entstehen, von Myonen unterscheiden, die sehr häufig bei Kaonzerfällen auftreten. "Dazu nutzen wir die unterschiedliche Wechselwirkung der beiden Teilchen mit Materie aus. Die Teilchen wechselwirken in unserem Detektor mit 24 jeweils 2,5 Zentimeter dicken Eisenschichten und werden zwischen den Eisenschichten über Lichterzeugung in szintillierenden Plastikstreifen und daran angeschlossenen Fotosensoren nachgewiesen", erklärt Wanke.

Der Teilchendetektor und die Beteiligung der Mainzer Wissenschaftler am NA62-Experiment wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziell gefördert und vom Exzellenzcluster "Precision Physics, Fundamental Interactions and Structure of Matter" (PRISMA) der Universität Mainz unterstützt. Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz sind am CERN an verschiedenen weiteren Forschungsarbeiten beteiligt, auch an Experimenten am Teilchenbeschleuniger LHC.

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siehe auch
Astroteilchenphysik: Neutrinos theoretisch betrachtet - 16. Dezember 2014
Exzellenzcluster PRISMA: Jagd nach Dunkler Materie - 5. November 2012
Teilchenphysik: Forschung mit tiefgekühlten Neutronen - 9. Mai 2011
Links im WWW
Universität Mainz
Precision Physics, Fundamental Interactions and Structure of Matter (PRISMA)
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