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Von: Dennis L.
Zerfall von Elementarteilchen

Elektronen sind stabil – zumindest für 66 Quadrilliarden Jahre

Elektronen sind Elementarteilchen. Laut bisherigem Model der Teilchenphysik dürfen sie niemals zerfallen. Andernfalls würde Materie, so wie wir sie kennen, aufhören zu existieren. Das Leben im Universum, samt all seiner Galaxien, Sternen und Planeten hätte ein natürliches Haltbarkeitsdatum.

Sind Elektronen wirklich stabil?
© Borexino Collaboration

Gran Sasso (Italien). Elektronen sind nicht spaltbare Elementarteilchen. Gemeinsam mit den up- und down-Quark bilden sie den Großteil der Materie des Universums. Dazu zählen nicht nur ganze Galaxien, Sterne und Planetensysteme, auch jegliche Form von Lebewesen, Steine, Gase – einfach alles was wir aus dem Alltag kennen (bionische Materie). Bisher ging die Wissenschaft davon aus, dass Elektronen stabil sind. Wären sie es nicht, würde sich Materie einfach auflösen. Aber sind Elektronen wirklich stabil? Auch auf enorm langen Zeitskalen?

Bedeutung von „Zerfall“

In der Teilchenphysik bedeutet „Zerfall“ nicht zwingend, dass sich ein Teilchen in seine Bestandteile auflöst. In großen Teilchenbeschleunigern werden Teilchen zur Kollision gebracht. Dabei entstehen neue Teilchen. Dies bedeutet allerdings nicht, dass diese neuen, jetzt sichtbaren, Teilchen bereits zuvor in den Ausgangsteilchen gesteckt haben.

Es geht um Energie. Da Masse und Energie das Selbe sind, wird bei der Kollision lediglich Energie freigesetzt, welche ihrer Masse entspricht. Die neuen Teilchen sind also aus der Energie entstanden. Genauso ist es auch beim Teilchenzerfall. Ein Elektron besitzt eine bestimmte Masse. Sollte das Elektron instabil sein, dann bedeutet dies, dass die Energie aufhört ein Elektron darzustellen und stattdessen Strahlung und/oder ein anderes Teilchen entsteht.

Damit der Teilchenzerfall nicht in einem gewaltigem Chaos endet, helfen die Regeln der Quantenphysik. Hier heißt es beispielsweise, dass ein neu entstandenes Teilchen niemals mehr Energie oder Masse besitzen darf, als das Teilchen vor dem Zerfall. Neben der Energieerhaltung muss aber auch die elektrische Ladung erhalten bleiben. Elektronen sind elektrisch negativ geladen. Bei einem Zerfall müsste das neue Teilchen die selbe negative Ladung wie das Elektron besitzen.

Dies wurde noch nie beobachtet und daher geht man davon aus, dass Elektronen nicht zerfallen können.

Auf der Suche nach dem Zerfall von Elektronen

Physiker wissen, dass das derzeitige Model der Teilchenphysik nicht vollständig oder zu 100 Prozent richtig sein kann. Der Grund dafür ist, dass es einige Sachen nicht erklären kann. Dazu zählt beispielsweise die Dunkle Materie (nicht bionische Materie) oder warum Neutronen eine Masse besitzen. Aus diesem Grund hören Physiker auch nicht auf, in der Teilchenwelt zu forschen. Würden Physiker den Zerfall von Elektronen beobachten, so wäre dies ein Hinweis auf einen Bereich der Physik, den wir bisher noch nicht kennen.

Nun kann man kein Elektron unter ein Mikroskop legen und abwarten ob es zerfällt. Aus diesem Grund arbeiten Wissenschaftler hier mit Statistiken. Der Zerfall folgt keinem genauen Fahrplan. Sollten bestimmte Teilchen beispielsweise nach zehn Minuten zerfallen, so tun sie dies mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit. Einige Teilchen werden bereits nach 10 Sekunden zerfallen, andere erst nach zehn Jahren.

Wenn man jetzt unglaublich viele Elektronen betrachtet, sollten sich einige darunter befinden, die bereits eher zerfallen. Genau das haben Physiker in Italien im Rahmen des Borexino-Experiments gemacht. Dieses Experiment detektiert eigentlich Neutrinos von der Sonne, lässt sich aber auch für den nachweislichen Zerfall oder Nichtzerfall von Elektronen nutzen. Das Experiment nutzt einen gewaltigen Behälter der mit einer speziellen Flüssigkeit gefüllt ist. Berechnungen zeigen, dass dieser in etwa 10 hoch 32 bzw. 100 Quintillionen Elektronen enthält. Beim Zerfall von Teilchen geht von der Flüssigkeit ein kleiner, messbarer lichtblitz aus. Anhand der zwischen Januar 2012 und Mai 2013 gesammelten Daten konnten die Physiker allerdings keinen Elektronenzerfall feststellen.

Dies bedeutet nicht, dass Elektronen stabil sind. Es bedeutet, dass ihre durchschnittliche Lebenszeit mindestens 66 Quandrilliarden Jahre beträgt. Anders gesagt: 4,7 Trillionen Mal länger als die bisherige Lebensdauer des Universums. Also wenn Elektronen instabil sein sollten, dann auf eine sehr stabile Art und Weise.

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