Der Teilchenzoo wächst
Anfang der 1940er Jahre schien es, als hätten die Physiker die fundamentalen Teilchen und ihre Wechselwirkungen im Griff. Sie wussten von Elektronen, Protonen und Neutronen, aber auch von Neutrinos und sogar Positronen, den „Antiteilchen“ der Elektronen, die Paul Dirac in den 1920er Jahren vorhergesagt hatte. Sie wussten, dass es Kräfte jenseits der Schwerkraft und des Elektromagnetismus gab, die starke und die schwache Kernkraft, und sie arbeiteten daran, diese besser zu verstehen.
Aber Rätsel tauchten auf, als unerwartete neue Teilchen auftauchten. 1936 entdeckten Physiker mit Hilfe eines Nebelkammerexperiments Myonen in der kosmischen Strahlung. (Der Name „Nebelkammer“ leitet sich von der Tatsache ab, dass elektrisch geladene Teilchen, die sich durch Wasserdampf bewegen, winzige Wolkenspuren in ihrem Kielwasser bilden). Auf ähnliche Weise fanden sie 1947 Pionen.
Im selben Jahr gaben Butler und Rochester bekannt, dass sie Teilchen gefunden hatten, die sie V+ und V0 nannten. Aus einer Reihe „ungewöhnlicher Abzweigungen“ in ihren Daten schlossen sie auf die Existenz zweier ziemlich massereicher Teilchen, eines positiv geladenen und eines neutralen, die in andere Teilchen zerfallen waren.
Die Teilchen wiesen eine Reihe merkwürdiger Eigenschaften auf. Zum einen waren sie schwer – etwa fünfmal so schwer wie ein Myon -, was zu einem weiteren Rätsel führte. Normalerweise haben schwerere Teilchen eine kürzere Lebensdauer, d. h. sie bleiben weniger lange im Raum, bevor sie in andere, leichtere Teilchen zerfallen. Doch als die Experimente fortgesetzt wurden, entdeckten die Forscher, dass die Teilchen trotz ihrer Schwere eine relativ lange Lebensdauer hatten.
Eine weitere merkwürdige Eigenschaft: Die Teilchen waren leicht herzustellen, aber die Physiker schienen nie in der Lage zu sein, nur ein einziges von ihnen auf einmal zu produzieren. Wenn man zum Beispiel ein Pion und ein Proton zusammenbrachte, konnte man die neuen Teilchen erzeugen, aber nur paarweise. Gleichzeitig konnten sie unabhängig voneinander zerfallen.
Eine seltsame neue Welt
In den 1950er Jahren entwickelten Murray Gell-Mann, Kazuo Nishijima, Abraham Pais und andere eine Erklärung für das seltsame Verhalten von Kaonen und anderen neu entdeckten Teilchen. Die Idee war, dass diese Teilchen eine Eigenschaft namens „Strangeness“ haben. Heute verstehen Physiker unter Strangeness eine fundamentale Quantenzahl, die mit einem Teilchen verbunden ist. Einige Teilchen haben die Strangeness gleich Null, aber andere Teilchen könnten die Strangeness gleich +1, -1 oder im Prinzip jede andere ganze Zahl haben.
Wichtig ist, dass die Strangeness konstant bleiben muss, wenn Teilchen durch die starke Kernkraft erzeugt werden, aber nicht, wenn sie durch die schwache Kernkraft zerfallen.
Im obigen Beispiel, in dem ein Pion und ein Proton zusammenstoßen, haben beide Teilchen die Strangeness gleich 0. Außerdem wird diese Wechselwirkung durch die starke Kraft bestimmt, so dass die Strangeness der entstehenden Teilchen sich ebenfalls zu Null addieren muss. Die Produkte könnten zum Beispiel ein neutrales Kaon enthalten, das die Strangeness 1 hat, und ein Lambda-Teilchen, das die Strangeness -1 hat, was die Strangeness des Kaons aufhebt.
Das erklärt, warum seltsame Teilchen immer in Paaren auftreten – die Strangeness des einen Teilchens muss durch die eines anderen aufgehoben werden. Die Tatsache, dass sie durch starke Wechselwirkungen entstehen, aber durch schwache Wechselwirkungen zerfallen, die in der Regel länger dauern, erklärte die relativ langen Zerfallszeiten.
Diese Beobachtungen führten zu mehreren weiteren grundlegenden Erkenntnissen, sagt Jonathan Rosner, ein theoretischer Physiker an der Universität von Chicago. Als Gell-Mann und seine Kollegen ihre Theorie weiterentwickelten, erkannten sie, dass sie Gruppen von Teilchen in Bündeln organisieren konnten, die durch Fremdheit und elektrische Ladung miteinander verbunden waren, ein Schema, das heute als „The Eightfold Way“ bekannt ist. Die Bemühungen, diese Organisation zu erklären, führten zur Vorhersage einer zugrundeliegenden Gruppe von Teilchen: den Quarks.
Lange Rede, kurzer Sinn
Ein weiteres wichtiges Merkmal der Strangeness-Theorie: Als die Wissenschaftler feststellten, dass seltsame Kaonen zum Beispiel in gewöhnliche Pionen zerfallen können, vermuteten sie, dass die schwache Kernwechselwirkung im Gegensatz zur starken Kernwechselwirkung die Strangeness nicht konstant halten muss. Diese Beobachtung setzte eine Reihe von theoretischen und experimentellen Entwicklungen in Gang, mit denen sich Physiker noch heute auseinandersetzen.
Auf der Grundlage von Theorien, die nahelegten, dass das neutrale Kaon ein Antiteilchen mit entgegengesetzter Strangeness zum neutralen Standardkaon haben sollte, schlussfolgerten Gell-Mann und Pais, dass sich das neutrale Kaon durch komplexe Prozesse, an denen schwache Wechselwirkungen beteiligt sind, in sein eigenes Antiteilchen verwandeln könnte.
Das Schema hat eine wichtige Konsequenz: Es impliziert, dass es zwei neue Teilchen gibt – tatsächlich verschiedene Kombinationen aus dem neutralen Kaon und seinem Antiteilchen – mit unterschiedlichen Lebensdauern. K-lang, wie es jetzt genannt wird, dauert im Durchschnitt etwa 50 Milliardstel Sekunden, während K-kurz nur knapp ein Zehntel einer Milliardstel Sekunde dauert, bevor es auseinanderbricht. Die Vorhersage dieser Teilchen gehörte zu Gell-Manns Lieblingsergebnissen, sagt Rosner, weil sie sich so leicht aus der grundlegenden Quantenphysik ableiten ließen.
Eine Symmetrie der Natur, entthront
Eine der wichtigsten Eigenschaften von K-long und K-short, zumindest in der Theorie von Gell-Mann und Pais, war, dass sie der sogenannten CP-Symmetrie gehorchen. Grob gesagt besagt die CP-Symmetrie, dass die physikalischen Gesetze gleich bleiben, wenn man jedes Teilchen mit seinem Antiteilchen vertauscht und den Raum in eine Art spiegelbildliches Universum umdreht. Die CP-Symmetrie gilt für die gesamte klassische Physik, und es war die Quantenvariante der CP, die Gell-Mann und Pais motivierte. (Technisch gesehen waren Gell-Mann und Pais ursprünglich nur durch die C-Symmetrie motiviert, aber sie mussten ihre Theorie aktualisieren, als Experimente feststellten, dass die schwache Wechselwirkung sowohl die Ladungskonjugation als auch die Paritätssymmetrie verletzte – aber so, dass die CP selbst eine gute Symmetrie zu bleiben schien.)
Pikanterweise führte ein durch die CP-Symmetrie motiviertes Ergebnis zu deren Untergang: Im Jahr 1964 entdeckten James Cronin, Val Fitch und Mitarbeiter des Brookhaven National Laboratory, dass das K-Long – sehr selten – in zwei Pionen zerfallen kann, eine Reaktion, die die CP-Symmetrie verletzt. Kaon-Zerfälle verletzten also doch die CP-Symmetrie.