Die Gewinnzahlen lauten: 13 – 13 – 3 – 13 – 14

Am 13. November 1989 nahmen rund 1500 Gäste an der offiziellen Einweihungszeremonie für das bis dahin größte wissenschaftliche Instrument teil: dem Large Electron-Positron Collider (LEP). Auch Staatsoberhäupter und Minister aus allen damaligen vierzehn Mitgliedsstaaten des CERN ließen es sich trotz der turbulenten politischen Zeiten nicht nehmen, für dieses Ereignis zum europäischen Kernforschungszentrum nach Genf zu reisen. Denn die Maschine hatte bereits einen Monat zuvor, am 13. Oktober, ein bahnbrechendes Ergebnis geliefert: Es gibt genau drei leichte Neutrinos und damit auch drei Familien im Standardmodell der Teilchenphysik.

Heute ist das Standardmodell trotz einiger ausstehender Ergänzungen so etabliert, dass dieses Ergebnis wenig außergewöhnlich erscheint. Doch Ende der 1980er-Jahre war von theoretischer Seite nur klar, dass es mindestens drei Familien geben muss – ob es drei, vier, fünf oder gar beliebig viele sind, musste sich im Experiment zeigen. Die Frage ließ sich mithilfe der sogenannten Z0-Linienform klären: Wenn ein Z-Boson – das neutrale Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung – zerfällt, entstehen Paare von Quarks und Leptonen, welche die Detektoren der vier Experimente am LEP nachweisen können, und leichte Neutrinos, die kein Signal hinterlassen.

Verändert sich die Kollisionsenergie, bei der das Z-Boson erzeugt wurde, entstehen unterschiedlich viele Teilchen, wobei die Verteilung einen Peak bei der Masse des Z-Bosons besitzt. Die Form dieses Peaks, die Z0-Linienform, hängt davon ab, wie viele Teilchenfamilien es gibt. Denn je mehr Familien vorhanden sind, desto mehr Möglichkeiten hat das Z-Boson zu zerfallen; damit sinkt seine Lebensdauer und die Linienbreite wächst – eine direkte Folge der Heisenbergschen Unschärferelation. Am 13. Oktober gaben die LEP-Experimente ein exaktes Ergebnis für die Zahl der leichten Neutrinos bekannt: 2,9840 ± 0,0082, was nur mit der ganzen Zahl 3 verträglich ist.

Nur zwei Monate vorher, am 13. August, hatten die Detektoren die ersten Kollisionen hochenergetischer Elektronen und Positronen registriert, nachdem der LEP am 14. Juli seinen Betrieb aufgenommen hatte. Den ersten spektakulären Ergebnissen von 1989 sollten im Lauf des elfjährigen Betriebs noch einige weitere folgen, beispielsweise die Produktion der geladenen Pendants des Z-Bosons als W+- und W–-Paare. Der Nachweis des top-Quarks und des Higgs-Bosons bereiteten Experimente am LEP vor, welche die Vorhersagen für die Massen dieser Teilchen präzisierten.

Pünktlich zum neuen Jahrtausend wurde der Betrieb des LEP eingestellt: Der Beschleuniger und die Experimente in dem 27 Kilometer langen Tunnel wurden abgebaut, um Platz für den Large Hadron Collider und seine Experimente zu schaffen – der Anlage, die heute die Rolle des LEP einnimmt und Teilchen auf bisher nicht erreichte Energien beschleunigt und kollidieren lässt. Ein wichtiges Ziel ist es dabei, die Grenzen des Standardmodells zu erreichen, um diese erfolgreiche Theorie gezielt zu erweitern.

Kerstin Sonnabend

Weitere Informationen

• Large Electron-Positron Collider
• CERN-Courier, Steve Myers: The greatest lepton collider
• CERN-Courier, Alain Blondel et al.: LEP’s electroweak leap
• CERN-Courier, Matthew Chalmers: Lessons from LEP – Interview with Herwig Schopper
• Eckhard Elsen: Thirty years of LEP’s Z0 line shape

Weitere Beiträge

• W. Hollik, Th. Müller, Das Top-Quark: sein Nachweis durch Theorie und Experiment, Physikalische Blätter, Februar 1997, S. 127 (PDF)
• M. Grünewald, T. Hebbeker, Teilchenphysik am LEP, Physikalische Blätter, September 1995, S. 837 (PDF)
• H. Schopper, Die Ernte nach einem Jahr LEP-Betrieb, Physikalische Blätter, Oktober 1991, S. 907 (PDF)
• E. Dreisigacker, Erste Ernte bei LEP: Drei Neutrino-Familien!, Physikalische Blätter, November 1989, S. 434 (PDF)
• Th. Bührke, LEP kommt in Schwung, Physikalische Blätter, Juli 1989, S. 240 (PDF)
• Erster Positronenstrahl im LEP, Physikalische Blätter, August 1988, S. 336 (PDF)