Protonenzerfall, Zerfall des Protons, des Hauptbestandteils aller Atomkerne.

Das Proton ist der Kern des Wasserstoffatoms und Bestandteil aller anderen Atomkerne, dem es (zusammen mit dem Neutron) die Masse und die Ladung verleiht). Selbst ist es wiederum aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark zusammengesetzt. Da Protonen die Grundlage der Materie sind, ist die Frage nach ihrer Stabilität zugleich die Frage nach der Stabilität des gesamten Universums. Soweit wir wissen, sind Protonen sehr stabil – es wurde noch niemals ein Protonenzerfall direkt beobachtet.

Dennoch widersprechen bestimmte Erweiterungen des Standardmodells der unendlichen Lebensdauer von Protonen. Diese Theorien sagen einen Protonenzerfall und damit den Zerfall aller Materie nach einer sehr langen, aber endlichen Zeit von 1031 bis 1036 Jahren voraus. Wie kann man aber die Protonen-Lebensdauer trotz ihrer extremen Länge nachprüfen? Zum einen hängt die Zerfallszeit von Protonen mit der Neutrinomasse zusammen: Falls unterschiedliche Neutrinoarten unterschiedliche Massen haben und sich dadurch ineinander umwandeln können, kann auch das Proton zerfallen. Zum anderen genügt es, eine ausreichende Zahl von Protonen zu beobachten. Die obige Lebensdauer ist nämlich nur der Durchschnittswert, die sogenannte Halbwertszeit, nach der die Hälfte aller existierenden Protonen zerfallen sein werden. Hat man eine Menge von 1036 Protonen mit einer Zerfallszeit von 1036 Jahren, so wird pro Jahr im Schnitt eines dieser Protonen zerfallen.

Es versteht sich, dass man zur Feststellung eines solchen Zerfalls mit einer ziemlichen Menge von Detektoren eine ziemliche Menge von Protonen eine ziemlich lange Zeit im Auge behalten muss. Im Rahmen des Super-Kamiokande-Experiments beobachten 11200 Zerfallsdetektoren seit 1996 einen Tank mit 50.000 Tonnen hochreinem Wasser, der tausend Meter unter der japanischen Stadt Kamioka ins Felsgestein gebohrt wurde. Eigentlich sucht man in diesem Experiment nach der Neutrinomasse, doch kann man damit auch Protonenzerfällen auf die Spur kommen. Bis jetzt hat man noch keine eindeutigen Resultate. Doch Wissenschaftler sind geduldig. Bis auf eine kurze, aber dramatische Unterbrechung im Jahr 2001, als Tausende der Detektoren in einer Kettenreaktion explodierten und ausgetauscht werden mussten, steht der Tank seit bald 10 Jahren unter Beobachtung und soll es auf absehbare Zeit auch bleiben.


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