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Zerfall beschleunigter Protonen

Unterschiedliche physikalische Interpretationen

Von Rainer Scharf

Durch seine überraschende Vorhersage, daß Schwarze Löcher strahlen, ist Stephen Hawking weltbekannt geworden. Am Rande eines Schwarzen Loches entstehen, gewissermaßen aus dem Nichts, sowohl Licht als auch Elementarteilchen, die seinem Anziehungsbereich entweichen können. Diese Hawking-Strahlung ist allerdings so schwach, daß viele Wissenschaftler sie für unbeobachtbar halten. Eng mit ihr verwandt ist eine Strahlung, die ein beschleunigter Beobachter überall dort wahrnehmen sollte, wo ein unbeschleunigter Beobachter nur leeren Raum vorfindet. Für die Existenz dieser Strahlung haben jetzt Daniel Vanzella und George Matsas von der Universität São Paulo einen Indizienbeweis vorgelegt.

Die beiden brasilianischen Wissenschaftler haben untersucht, wie die Welt für ein Proton aussähe, wenn es sich mit riesiger Beschleunigung durch den leeren Raum bewegte ("Physical Review Letters", Bd. 87, Nr. 151301). Glaubt man dem Standardmodell der Elementarteilchen, so sind ruhende oder gleichförmig bewegte Protonen, die keiner äußeren Einwirkung unterliegen, stabil und zerfallen nicht. Tatsächlich haben Experimente gezeigt, daß die Zerfallszeit eines Protons mehr als 1025 Jahre beträgt, also das Alter des Universums um ein Vielfaches übertrifft. Wenn das Proton aber stark beschleunigt wird, so sollte es der Quantentheorie zufolge in ein Neutron, ein Positron und ein Neutrino zerfallen können, und zwar desto schneller, je größer die Beschleunigung ist.

Aus der Sicht des beschleunigten Protons hat der Zerfall eine völlig andere Ursache. Für das Proton erscheint die ganze Welt in beschleunigter Bewegung, während es selbst in Ruhe ist. Ein ruhendes Proton kann aber nur dann zerfallen, wenn es mit einem anderen Elementarteilchen kollidiert. Doch woher kommen diese Teilchen? Der kanadische Physiker William Unruh hatte 1976, ausgehend von der Quantentheorie, berechnet, daß aus Sicht eines beschleunigten Beobachters der ursprünglich leere Raum von einer Strahlung erfüllt wird. Aufgrund der Heisenbergschen Unschärfebeziehung entstehen im leeren Raum laufend sogenannte virtuelle Teilchen, die nach kurzer Zeit wieder spurlos verschwinden. Treffen diese virtuellen Teilchen auf einen beschleunigten Beobachter, so werden sie als reale Teilchen wahrgenommen. Diese Unruh-Strahlung ist desto heißer, je größer die Beschleunigung des Beobachters ist. Bei Beschleunigungen, wie sie auf der Erde auftreten, ist die Strahlung indes unmeßbar schwach.

Außer Licht enthält die Strahlung alle möglichen Arten von Elementarteilchen, etwa Elektronen, Positronen und Neutrinos. Prallt nun zum Beispiel ein Elektron auf das Proton, so entstehen daraus ein Neutron und ein Neutrino. Während aus Sicht des Protons die Unruh-Strahlung seinen Zerfall bewirkt, macht ein außenstehender Beobachter dafür die Beschleunigung des Protons durch den leeren Raum verantwortlich. Beide Interpretationen stimmen überein. Die Berechnungen der brasilianischen Physiker haben ergeben, daß ein beschleunigtes Proton genau so schnell zerfällt wie ein ruhendes Proton, das der Unruh-Strahlung ausgesetzt ist.

Einen direkten Nachweis der Unruh-Strahlung planen Physiker in den Vereinigten Staaten, allerdings nicht mit Protonen, die dafür zu schwer sind. Die Forscher wollen Elektronen mit Hilfe von extrem starken Laserpulsen beschleunigen und untersuchen, wie die Unruh-Strahlung die Bewegungen der Elektronen beeinflußt. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 24.10.2001, Nr. 247 / Seite N3

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