Frage: Was ist der Nachweis von Bosonen?

Tobias Triffterer Beantwortet am 15 Nov 2021:

„Boson“ ist ein Sammelbegriff für all die Teilchen, die einen ganzzahligen Spin haben. Diese bauen nicht die Materie auf, sondern übertragen wie Wechselwirkungen zwischen den anderen Teilchen.

Das einfachste Beispiel ist das Photon: Das Photon ist das Überträgerteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung, daher besteht auch die elektromagnetische Strahlung – und damit das sichtbare Licht – aus Photonen. Wenn du etwas siehst, dann liegt das daran, dass von dem Objekt Photonen im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm ausgehen, die in dein Auge treffen und dort eine photochemische Reaktion in Proteinen auf der Oberfläche der Netzhautzellen auslösen. Insofern kannst du Photonen quasi mit deinem Auge nachweisen.

Bei den anderen Bosonen ist die Sache schwieriger:

Die anderen Wechselwirkungen haben nur eine sehr begrenzte Reichweite, sie wirken nur im Bereich von Atomkernen und darunter.

Hier braucht man Teilchenbeschleuniger mit denen man Elementarteilchen oder Hadronen mit hohen Energien aufeinander schießt und dann die Resultate analysiert. Diese Resultate werden dann mit Computersimulationen verglichen, die auf mathematischen Modellen der Teilchenwelt basieren. Wenn die Vorhersagen des Computermodells mit den Ergebnissen des realen Experiments übereinstimmen und das Signal so deutlich ist, dass ein Zufallsergebnis mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden kann (so genannte 5-Sigma-Schwelle nach dem griechischen Buchstaben σ, der typischerweise für die Standardabweichung einer Zufallsverteilung benutzt wird), dann wird das als Beleg gesehen, dass das Modell, auf dem die Computersimulation basiert, korrekt ist.

Ein Beispiel, an dem man die Bosonen in Teilchenreaktionen erkennen kann, ist der „flavour-blinde“ Zerfall. Die Materieteilchen kann man in drei Familien, manchmal auch drei Generationen genannt, einteilen:

1. Familie: Up-Quark, Down-Quark, Elektron, Elektron-Neutrino
2. Familie: Strange-Quark, Charm-Quark, Myon, Myon-Neutrino
3. Familie: Top-Quark, Bottom-Quark, Tauon, Tau-Neutrino

Bei Reaktionen zwischen Materie-Teilchen ist die Wahrscheinlichkeit für Reaktionen, die innerhalb einer Familie bleiben, in der Regel höher, als für Reaktionen, die Teilchen aus mehreren Familien beinhaltet. Die Bosonen haben aber mit den drei Familien nichts zu tun und zerfallen daher mit gleicher Wahrscheinlichkeit in Teilchen aus allen drei Familien.

Wenn man also in den Resultaten eines Experiments ein Signal für ein Teilchen sieht, dass zu je einem Drittel beispielsweise in Elektronen, Myonen und Tauonen zerfällt, dann ist die Chance groß, dass es sich um ein Boson handelt.