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Auf den Spuren des rätselhaften Top-Quarks

06.02.2007
An der Universität Bonn hat eine neue Emmy-Noether-Gruppe ihre Arbeit angetreten. Der Teilchenphysiker Dr. Markus Cristinziani und seine Mitarbeiter heften sich unter anderem auf die Spur des rätselhaften Top-Quarks, eines Elementarteilchens, das in den ersten Billionstel Sekunden nach dem Urknall existierte. Heute kann man es nur noch in gewaltigen Beschleunigern erzeugen.

Das Top-Quark gilt als Hoffnungsträger der Physiker: Seine Erforschung könnte unser Verständnis vom Aufbau der Materie tiefgreifend verändern. Dafür fließen in den nächsten fünf Jahren 1,2 Millionen Euro aus dem Säckel der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) an den Rhein.

Quarks sind die "Grundbausteine" der Protonen und Neutronen - das sind die Teilchen, aus denen sich die Atomkerne zusammensetzen. Protonen und Neutronen bestehen jeweils aus drei Quarks. Isolieren lassen sich diese jedoch nicht. Man kann Protonen aber zertrümmern, indem man sie mit extrem hoher Geschwindigkeit aufeinanderschießt. Unter den Bruchstücken, die dabei entstehen, sind auch Quarks, die es heute unter natürlichen Bedingungen gar nicht mehr gibt. Grund ist die bereits von Einstein formulierte Äquivalenz von Masse und Energie: Die Energie, die beim Crashtest im Beschleuniger frei wird, gebiert gewissermaßen neue Teilchen.

Das Top-Quark ist ein solcher Neuzugang im physikalischen Teilchenzoo. Es entsteht bei energiereichen Kollisionen, die nur in sehr großen Beschleunigern erreicht werden können. 1995 wurde es in Chicago zum ersten Mal nachgewiesen. Weniger als 1.000 Mal konnten Physiker das rätselhafte Teilchen seitdem beobachten. Entsprechend wenig ist bis heute über das Top-Quark bekannt. Was man weiß, ist, dass es für ein Elementarteilchen extrem schwer ist: Es wiegt fast soviel wie ein Gold-Atom. "Und eben dieses Gewicht ist es, das das Top-Quark für uns so interessant macht", erklärt Dr. Markus Cristinziani. Da Quarks wie entgegengesetzt gepolte Magnete normalerweise direkt nach ihrer Geburt zu zusammengesetzten Teilchen "verkleben", geben sie nur sehr wenig über sich als Individuen Preis. Anders das Top-Quark: Es ist aufgrund seines Gewichts so instabil, dass es direkt zerfällt. "Die Zerfallsprodukte lassen sich aber mit physikalischen Methoden analysieren", sagt der Leiter der Emmy-Noether-Gruppe. "Dabei lernen wir viel über das Top-Quark, aber auch über den Aufbau der Materie insgesamt."

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Und wozu das Ganze? "Physiker erklären sich den Aufbau der Materie mit einer Theorie, dem so genannten Standardmodell der Teilchenphysik", erklärt Cristinziani. "Diese Theorie hat aber Lücken: Die Vorhersagen, die sich von ihr ableiten lassen, decken sich mitunter nicht mit den Beobachtungen, die man in jüngster Zeit gemacht hat." So zeigen Messungen, dass unser Universum entgegen aller Prognosen immer schneller auseinanderstrebt. Als Triebkraft vermutet die Physikergemeinde eine rätselhafte "dunkle Energie". Worum es sich dabei handeln könnte, erklärt das Standardmodell jedoch nicht. "Das Top-Quark dient uns als Tür, durch die wir tiefer in die Geheimnisse der Materie eindringen können", sagt der Teilchenphysiker.

Schon während seiner Doktorarbeit hat der 34-jährige Deutsch-Italiener einige Zeit beim Europäischen Labor für Teilchenphysik CERN in Genf gearbeitet; danach forschte er drei Jahre an der renommierten Universität im US-amerikanischen Stanford. Jetzt kehrt der Vater zweier Kinder zu seiner alten Wirkungsstätte zurück: Am CERN geht nämlich in einigen Monaten der weltgrößte Teilchenbeschleuniger in Betrieb. Dort werden Cristinziani und seine Mitarbeiter ihre Protonen-Crashtests durchführen.

Damit hängt auch ein zweiter Schwerpunkt ihrer Arbeit zusammen: Die Entwicklung ultraschneller Detektoren, mit denen sich die Produkte der Kollisionen nachweisen lassen. Pro Sekunde kommt es im Beschleuniger zu 40 Millionen Zusammenstößen; dabei entstehen jeweils über tausend Teilchen. In der Arbeitsgruppe von Professor Dr. Norbert Wermes vom Physikalischen Institut wurde dazu eigens ein Detektor entwickelt, der die Reaktionsprodukte auf einen hundertstel Millimeter genau orten kann - und das gleich vierzigmillionenmal pro Sekunde. Wie der Lichtsensor einer Digitalkamera besteht er aus haarfeinen rechteckigen Zellen, die dicht nebeneinander angeordnet sind - den sogenannten Pixeln. Durchquert ein Teilchen einen Pixel, sendet dieser Ort, Zeit und Signalgröße an den Rand der Elektronikchips, wo die Messwerte in schnelle Lichtsignale umgewandelt und durch optische Fasern zum Computer geschickt werden. In mehreren Ebenen zylinderförmig um den Entstehungsort der Reaktion angeordnet, liefert der Pixel-Detektor so die Punkte einer Teilchenspur, mit deren Hilfe die Forscher rekonstruieren können, was genau sich beim Crash im Beschleuniger zugetragen hat.

Zehn Jahre Entwicklungsarbeit stecken in dem Pixeldetektor, der am Ende des Jahres seinen Betrieb aufnimmt. Dann sind die Bonner Physiker aber bereits bei den Vorarbeiten für einen Nachfolger. "Die Strahlendosis, die bei den Kollisionen entsteht, ist so hoch, dass wir Schäden am Detektor erwarten", erklärt Cristinziani. "Wir versuchen daher, ein robusteres Modul zu entwickeln - dafür werden wir härteres Silizium oder vielleicht Diamant verwenden."

Kontakt:
Dr. Markus Cristinziani
Physikalisches Institut der Uni Bonn
Telefon: 0228/73-5762
E-Mail: cristinz@uni-bonn.de

Frank Luerweg | idw
Weitere Informationen:
http://mc-eng.physik.uni-bonn.de/

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