Die Tatsache, dass es uns überhaupt gibt, ist eines der größten Rätsel der Physik. Wir bestehen aus normalen Teilchen wie Elektronen, aber jedes dieser Teilchen hat auch einen Antimateriepartner, der praktisch identisch mit ihm ist, aber die entgegengesetzte Ladung hat. Wenn Materie und Antimaterie miteinander in Berührung kommen, vernichten sie sich gegenseitig in einem Lichtblitz.
Die Physik geht davon aus, dass Materie und Antimaterie beim Urknall in fast gleichen Mengen entstanden sind. Wie kommt es also, dass heute fast nur noch Materie übrig ist – warum haben sich Materie und Antimaterie nicht gegenseitig vernichtet und das Universum leblos gemacht? Unsere neuen Forschungsergebnisse haben es Wissenschaftlern ermöglicht, einen neuartigen Beschleuniger zu bauen, der auf Teilchen namens Myonen basiert und uns helfen könnte, dies herauszufinden.
Ein Myon ist fast identisch mit einem Elektron, nur dass es 207 Mal schwerer ist. Außerdem zerfällt es innerhalb von zwei Millionstel Sekunden in andere Teilchen. Das erklärt, warum Myonen fast die gesamte geladene kosmische Strahlung ausmachen, die die Erdoberfläche erreicht.
Unsere Fähigkeit, die Struktur der Materie auf kürzeste Entfernungen zu untersuchen, hängt zu einem großen Teil davon ab, Teilchenstrahlen zu erzeugen und sie auf hohe Energien zu beschleunigen. Es gibt jedoch nur vier stabile Teilchen, die auf diese Weise verwendet werden können: das Elektron und sein Antiteilchen (Positron) sowie das Proton und sein Antiteilchen (Antiproton).
Teilchenstrahlen, die aus diesen beiden bestehen, werden seit vielen Jahren verwendet, doch beide Paare haben Nachteile. Das Elektron und sein Partner sind sehr leicht – wenn wir versuchen, sie zu beschleunigen, strahlen sie elektromagnetische Energie ab. Das kann für Anwendungen wie das Fernsehen nützlich sein, macht es aber schwierig, die Art von Energie zu erreichen, die wir für ein besseres Verständnis des Universums benötigen.
Im Gegensatz zu den Elektronen bestehen das Proton und das Antiproton aus fundamentaleren Teilchen – Quarks und Gluonen. Bei einer Kollision zwischen einem Proton und einem Antiproton stoßen diese fundamentalen Teilchen tatsächlich zusammen, was zu einem energieärmeren Zusammenstoß führt, als wenn Protonen wirklich fundamentale Teilchen wären.
Die Myonen sind so schwer, dass sie viel weniger Energie abstrahlen, aber fundamental (nicht aus kleineren Teilchen zusammengesetzt), so dass ihre gesamte Energie für die Untersuchung zur Verfügung steht. Als Wissenschaftler das mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Higgs-Teilchen mit Protonen erzeugten, benötigten sie eine Maschine mit einem Durchmesser von 10 km: den Large Hadron Collider. Eine Myonenmaschine hingegen könnte dies mit einem Umfang von nur 200 Metern erreichen.
Der Nachteil von Myonen ist, dass sie im Gegensatz zu Elektronen und Protonen instabil sind und schnell erzeugt und verwendet werden müssen, bevor sie alle zerfallen. Wir können Myonen erzeugen, indem wir einen schmalen, hochintensiven Protonenstrahl auf ein Ziel aus einem Metall, z. B. Titan, richten. Dadurch wird ein Strahl eines anderen fundamentalen Teilchens, des Pions, erzeugt.
Pionen bilden einen Strahl, der sich auffächert. Während der ursprüngliche Protonenstrahl wie ein Laserpointer aussieht, ähnelt der Pionenstrahl eher einem Taschenlampenstrahl, dessen Intensität mit zunehmender Entfernung rasch abnimmt. Die Pionen zerfallen dann, um Myonen zu erzeugen, was bedeutet, dass sich der Strahl noch mehr ausbreitet – ähnlich wie eine Glühbirne.
Wir können einen solchen Strahl in einer Maschine wie dem LHC nicht beschleunigen, also müssen wir einen Strahl erzeugen, der sich viel weniger ausbreitet. Das ist eine Herausforderung, da wir nur zwei Millionstel Sekunden Zeit haben, um ihn zu erzeugen, zu beschleunigen und zu kollidieren.
Aber unser Team von Physikern und Ingenieuren aus der ganzen Welt – bekannt als das Muon Ionisation Cooling Experiment (MICE) – hat nun gezeigt, dass es möglich ist. Um den Strahl zu komprimieren, haben wir ein Verfahren eingesetzt, das als Kühlung bezeichnet wird. Dabei werden die Myonen durch einen Behälter mit flüssigem Wasserstoff von -250 °C geleitet, wodurch die Teilchen abgebremst werden. Anschließend haben wir sie durch einen elektromagnetischen Hohlraum geleitet, wodurch der Strahl in die gewünschte Richtung beschleunigt wurde.
Durch mehrmaliges Wiederholen dieses Vorgangs ist es möglich, einen Strahl zu erzeugen, der sich viel weniger ausbreitet und einen dichten Kern hat. Dieser Strahl kann in einen Teilchenbeschleuniger eingespeist werden, um einen hochenergetischen Myonenstrahl zu erzeugen. Ein solcher Strahl kann entweder kollidiert werden oder man lässt ihn zirkulieren, bis die Myonen in einen intensiven Neutrinostrahl zerfallen – weit mehr als jeder Neutrinostrahl, der derzeit erzeugt werden kann.
Das Universum erforschen
Ein aus Myonen erzeugter Neutrinostrahl ist Teil einer geplanten Neutrinofabrik, die es uns ermöglichen würde, viele Fragen im Zusammenhang mit dem Ursprung und der Entwicklung des Universums zu beantworten – etwa das mysteriöse Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie.
Neutrinos könnten uns auch helfen zu verstehen, wie sich lebenswichtige Elemente wie Sauerstoff, Kohlenstoff und Silizium, die in Sternen gebildet werden, im Universum verbreiten. Diese schwereren Elemente entstanden nicht beim Urknall und sind dennoch für den Planeten, auf dem wir leben, und für alles Leben um uns herum verantwortlich. Wir wissen, dass Ausbrüche von Neutrinos, die bei Sternexplosionen (Supernovas) freigesetzt werden, dafür verantwortlich sind.
Wir könnten auch zwei Strahlen von Myonen auf die gleiche Weise kollidieren lassen, wie wir Protonen am LHC kollidieren lassen. Da Myonen einfacher sind als Protonen, könnten wir damit zum Beispiel die Eigenschaften des Higgs-Teilchens genauer bestimmen.
Die Eigenschaften des Myons machen es auch zu einem unschätzbaren Werkzeug in der Materialphysik. Die Möglichkeit, stärker fokussierte Strahlen zu erzeugen, kann die derzeitigen Messungen verbessern und neue Diagnosemethoden eröffnen.
Unsere Methode kann auch dazu beitragen, die Intensität anderer Strahlen geladener Teilchen zu erhöhen. Es war ein langwieriges Projekt, das über ein Dutzend Jahre dauerte, aber die Mühe hat sich gelohnt, wenn man bedenkt, was für ein leistungsfähiges Werkzeug wir geschaffen haben.