Das P2 Experiment

P2 ist ein Experiment zur hochpräzisen Messung einer Naturkonstanten, nämlich des Mischungswinkels der elektroschwachen Vereinheitlichung. Seine Messung ist essentiell, weil er uns Auskunft über grundlegende Eigenschaften der Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen gibt. Zusätzlich ermöglicht die präzise Bestimmung des elektroschwachen Mischungswinkels Einsicht in mögliche neue physikalische Phänomene, wie zum Beispiel Extra-Dimensionen, dunkle Materie  oder andere neue Kräfte.

Der neue Mesa-Beschleuniger in Mainz wird einen intensiven, polarisierten Elektronenstrahl für das Experiment liefern, wobei die Spinrichtung der Elektronen bekannt und einstellbar sein wird. Diese Elektronen werden auf eine stark gekühlte Zelle (Target) mit flüssigem Wasserstoff bei ca. -257 °C geschossen, wo sie von den Protonen (Atomkerne des Wasserstoffs) abprallen; diesen Vorgang nennt man „elastische Streuung“. Der elektroschwache Mischungswinkel kann aus dem sehr kleinen Unterschied (ca. 3,5  in 100 Millionen) dieser Streuung bei den verschiedenen Spinrichtungen des Elektronenstrahls bestimmt werden.

Um die Teilchen nachweisen zu können, durchlaufen sie zunächst das starke Feld eines supraleitenden Magneten („Solenoid-Spektrometer“, ohne elektrischen Widerstand, 2m Durchmesser, 4m Länge, 150 t Gewicht). In diesem Feld werden geladene Teilchen wie Elektronen abhängig von ihrer Geschwindigkeit bzw. Energie verschieden stark abgelenkt. Mit Hilfe einer Bleiabschirmung und einer optimierten Geometrie des Gesamtaufbaus können die Experimentatoren so unerwünschte Teilchen "herausfiltern", die die hochpräzise Messung stören würden. Die Detektion der Teilchen selbst findet mit Hilfe eines Rings aus hochreinem amorphen Quarzglas statt. Die gestreuten Elektronen bewegen sich im Material mit Überlichtgeschwindigkeit und erzeugen deshalb sogenannte Cherenkov-Lichtblitze, die in einem Photonenvervielfacher in ein messbares elektrisches Signal umgewandelt werden und somit den Nachweis der Teilchen ermöglichen.