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Physiker bestimmen zum ersten Mal winzige Massendifferenz von Elementarteilchen

Einem internationalen Team von Wissenschaftlern unter Federführung der Bergischen Universität Wuppertal ist es erstmals gelungen, die winzigen Massendifferenzen von Elementarteilchen genauer zu berechnen. Ihre Ergebnisse haben die Forscher um die Theoretischen Teilchenphysiker Prof. Dr. Zoltan Fodor, Dr. Christian Hoelbling und Prof. Dr. Kalman Szabo jetzt im renommierten US-Wissenschaftsmagazin „Science“ veröffentlicht.

Die Stabilität gewöhnlicher Materie und die Existenz chemischer Elemente, wie wir sie kennen, beruht auf dem kleinen Massenunterschied zweier Elementarteilchen, aus denen sich Atomkerne zusammensetzen: dem Proton und dem Neutron. Gemeinsam können Protonen und Neutronen stabile Atomkerne bilden und so – zusammen mit Elektronen in der Atomhülle – die uns umgebende Welt aufbauen. Freie Neutronen sind hingegen nicht stabil. Sie zerfallen mit einer Halbwertszeit von circa zehn Minuten und hinterlassen dabei ein Proton. Dieser Prozess war entscheidend für die frühe Entstehung der Elemente in den ersten 20 Minuten unseres Universums und kann nur deshalb so ablaufen, weil ein freies Neutron um 0,14 Prozent schwerer als ein freies Proton ist.

Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ist es jetzt gelungen, diesen winzigen Massenunterschied direkt aus der fundamentalen Theorie, dem Standardmodell der Teilchenphysik, zu bestimmen und zu zeigen, wie er sich aus der Differenz zweier konkurrierender Effekte ergibt. Elektromagnetische Effekte, die das Proton schwerer machen würden, stehen einem kleinen Massenunterschied der Quarks gegenüber, aus denen sich sowohl das Proton wie auch das Neutron zusammensetzen. „Die Größe dieser Effekte und deren Differenz ermöglichen es nun quantitativ zu verstehen, wie sehr die fundamentalen Parameter der Natur aufeinander abgestimmt sein müssen, um ein Universum wie unseres möglich zu machen“, sagt Dr. Christian Hoelbling. Mit den vorgelegten Ergebnissen sei es zum Beispiel möglich, präzise zu bestimmen, wie sehr sich die Elementarladung ändern müsste, damit Wasserstoffatome nicht mehr stabil sind. „Darüber hinaus erlauben es diese Berechnungen Massenunterschiede zwischen anderen, schweren Elementarteilchen vorherzusagen, die teilweise noch nicht beobachtet wurden“, so Hoelbling.

Die Grafik zeigt, wie der Massenunterschied zwischen Proton und Neutron in Abhängigkeit von den fundamentalen Parametern variieren würde. Entlang der horizontalen Richtung steigt die elektromagnetische Kopplung, die dem Quadrat der Elementarladung entspricht, von 0 auf den doppelten physikalischen Wert an. In vertikaler Richtung verändert sich der Unterschied von u- und d-Quark (ein Proton enthält ein d- und zwei u-Quarks, während ein Neutron zwei d- und ein u-Quark enthält). Das blaue X markiert die tatsächliche physikalische Situation. Als Beispiel für eine dramatisch andere Welt ist die blaue Region gekennzeichnet, in der Wasserstoffatome nicht stabil wären.
Massenunterschiede diverser Elementarteilchen. Rote Punkte und Linien zeigen Resultate der Rechnungen und die jeweilige Präzision, schwarze Linien und graue Balken geben, soweit vorhanden, experimentell gemessene Massenunterschiede und deren Genauigkeit an. Der Massenunterschied zwischen Proton und Neutron ist in der linken Spalte zu sehen. Die Massenunterschiede sind in der Einheit MeV gegeben, wobei 1MeV ungefähr einem Promille der Masse eines Wasserstoffatoms entspricht.

Kontakt:
PD Dr. Christian Hoelbling
Fachbereich Mathematik und Naturwissenschaften
Telefon 0202/439-3517
E-Mail hch{at}physik.uni-wuppertal.de