Elektronen sind Elementarteilchen. Zusammen mit den up- und down-Quark machen sie den Großteil der Materie aus, die uns im Alltag unterkommt. Und natürlich sind Elektronen stabil. Wären sie es nicht, dann würde sich die Materie ständig auflösen und das ist ganz offensichtlich nicht der Fall. Aber: Sind sie wirklich stabil? Wie sieht es auf sehr langen Zeitskalen aus? Besteht vielleicht doch die Chance, dass die Elektronen irgendwann zerfallen?

Eine interessante Frage, die Teilchenphysiker kürzlich wieder ein wenig genauer beantworten konnten. Bevor ich aber erkläre, wie die Antwort aussieht und warum man sich damit überhaupt beschäftigt, sollte man das Wort “zerfallen” noch ein bisschen näher betrachten. Wenn ein Elektron zerfällt, heißt dass dann nicht, dass es kein Elementarteilchen sein kann?

Nicht unbedingt. “Zerfall” bedeutet in der Teilchenphysik nicht unbedingt zwingend, dass sich ein Objekt in seine Bestandteile auflöst. Wenn in den großen Beschleunigern Teilchen zur Kollision gebracht werden und bei diesen Kollisionen neue Teilchen entstehen, dann bedeutet das ja auch nicht, dass diese neuen Teilchen irgendwo in den kollidieren Teilchen drin gesteckt sind.

Es geht um Energie. Seit Albert Einstein wissen wir ja, das Energie und Masse im Prinzip das selbe sind. Wenn im Beschleuniger Teilchen kollidieren, wird die Energie, die ihrer Masse entspricht gewissermaßen freigesetzt und neue Teilchen können aus dieser Energie heraus entstehen. Und so ist es auch bei einem Teilchenzerfall. Das Elektron hat eine bestimmte Masse die einer bestimmten Energie entspricht. Sollte es instabil sein, dann heißt das nichts anderes als das diese Energie irgendwann aufhört, ein Elektron darzustellen und stattdessen andere Teilchen entstehen.

Das geht aber natürlich nicht beliebig! Es gelten jede Menge quantenmechanische Naturgesetze die diese Art des Teilchenzerfalls bestimmen. Da ist zum Beispiel die Energieerhaltung: Die Teilchen, die beim Zerfall eines Elektrons entstehen können zusammen nicht mehr Masse/Energie haben als das ursprüngliche Elektron. Neben der Energie muss aber auch die elektrische Ladung erhalten bleiben. Das Elektron ist elektrisch negativ geladen. Und die Ladung aller aus einem etwaigen Zerfall entstehenden Teilchen muss zusammengenommen ebenfalls negativ und genau so stark sein wie die des Elektrons.

Genau das ist auch der Grund, warum man davon ausgeht, dass das Elektron nicht zerfallen kann. Denn alle bekannte Teilchen die eine geringere Masse haben als das Elektron (zum Beispiel Neutrinos), sind elektrisch neutral. Es gibt für das Elektron also keinen bekannten Weg zu zerfallen, ohne dabei die Ladungserhaltung zu verletzen.

Zumindest nicht innerhalb des derzeitigen Standardmodells der Teilchenphysik. Dieses Modell ist enorm erfolgreich bei der Beschreibung der Teilchenwelt – aber wir wissen, dass es nicht umfassend genug ist. Es gibt einige Phänomene, die es nicht beschreiben kann (die Existenz der dunklen Materie, die Masse der Neutrinos, etc) und deswegen wird es irgendwann erweitert werden müssen. Vielleicht tauchen in dieser Erweiterung dann auch Teilchen oder neue Naturgesetze auf, die einen Zerfall von Elektronen erlauben.

Es lohnt sich daher, nach zerfallenden Elektronen zu suchen. Würde man so einen Vorgang beobachten, wäre das ein deutlicher Hinweis auf neue Physik jenseits des Standardmodells. Aber man kann schlecht ein Elektron unter ein Mikroskop legen und dann ein paar Milliarden Jahre lang abwarten, ob sich etwas tut. Deswegen nutzt man für solche Experimente die Statistik. Teilchenzerfälle sind zufällige Ereignisse. Sie finden nicht nach Fahrplan statt: Beträgt die durchschnittliche Lebensdauer eines Teilchens zum Beispiel 5 Minuten, dann ist das eben nur ein Durchschnitt. Manche dieser Teilchen werden schon nach 5 Sekunden zerfallen; manche werden 5 Jahre überleben.

Der Borexino-Detektor (Bild: Public Domain)

Der Borexino-Detektor (Bild: Public Domain)

Betrachtet man nun also sehr, sehr viel Elektronen, dann sollte man zumindest ein paar finden, die eine sehr kurze Lebensdauer haben; selbst wenn Elektronen im Durchschnitt enorm lange stabil sind. Genau das haben Wissenschaftler am Borexino-Experiment in Italien getan (“A test of electric charge conservation with Borexino”). Der Borexino-Detektor dient eigentlich dem Nachweis von Neutrinos. Er besteht aus einem großen, unterirdischen Tank der mit einer speziellen Flüssigkeit gefüllt ist. Wenn Neutrinos mit Atomen dieser Flüssigkeit wechselwirken, entsteht ein Lichtblitz der mit entsprechenden Detektoren aufgezeichnet werden kann.

Die Flüssigkeit im Borexino-Detektor besteht aber auch vor allem aus sehr, sehr vielen Elektronen. 10 hoch 32 ungefähr; oder 100 Quintillionen (falls jemand was mit dieser Zahl anfangen kann). Und wenn auch nur eines dieser Elektronen zerfallen sollte, entsteht dabei ebenfalls ein ganz spezifischer Lichtblitz, den die Detektoren sehen könnten. Nach genau so einem Signal haben die Wissenschaftler in den Daten gesucht, die am Borexino-Detektor zwischen Januar 2012 und Mai 2013 aufgezeichnet wurden. Und haben nichts gefunden!

Das bedeutet nicht, dass Elektronen stabil sind. Aber es bedeutet, dass ihre durchschnittliche Lebenszeit mindestens 66 Quadrilliarden Jahre beträgt. Also 66.000.000.000.000.000.000.000.000.000 Jahre. Oder anders gesagt: 4,7 Trillionen Mal länger als die bisherige Lebensdauer des gesamten Universum! Wenn Elektronen instabil sind, dann sind sie es also auf eine sehr stabile Art und Weise 😉

Kommentare (34)

  1. #1 Rüdiger Kuhnke
    München
    12. Dezember 2015

    “Wären sie es nicht, dann würde sich die Materie ständig auflösen”. Nach diesem Argument müsste sich die Materie tatsächlich strändig auflösen, weil die Neutronen eine Lebensdauer von ca. 15 min haben.

  2. #2 Strudel
    12. Dezember 2015

    Sehr interessant, Danke!

    Kann man aus den Daten auch eine Abschätzung für den Protonenzerfall gewinnen?

  3. #3 Braunschweiger
    12. Dezember 2015

    @R. Kuhnke: Das stimmt so auch wieder nicht, oder zumindest stimmt es nicht mit anderen Aussagen überein: Für ein freies Neutron mag diese Zeit gelten (siehe auch Wikipedia), aber ein in einem Atomkern gebundenes Neutron soll stabil sein. Siehe auch diesen Artikel dazu, erster Absatz. Was mit der beobachtbaren Realität offenbar übereinstimmt.

  4. #4 David
    12. Dezember 2015

    Wo kommt die Zeitkomponente her? Also wie kommt man von “Man hat im Tank keine zerfallenden Elektronen beobachtet” auf die ziemlich genaue Zeitangabe von “66 Quadrilliarden Jahre”?

  5. #5 rolak
    12. Dezember 2015

    Woher?

    Aus der Stochastik, David. Die tatsächliche ZerfallsVerteilung ist eine Glockenkurve um die Lebenszeit – und wenn von 100 Quintillionen Elektronen binnen 17 Monaten kein einziges zerfällt, muß diese Glocke ihren Mittelpunkt anscheinend 66 Quadrilliarden Jahre in der Zukunft haben, damit die Berechnungen passen.
    btw: Soooo genau ist die Zeitangabe nicht, es sind nur 2 von 29 Stellen angegeben,

  6. #6 Chemiker
    12. Dezember 2015

    6.6·10²⁸ Jahre liest sich meiner Meinung nach besser als 66 Quadrilliarden Jahre. Ich mußte jedenfalls nach­schlagen, welche Zehner­potenz hier gemeint ist.

  7. #7 rolak
    12. Dezember 2015

    Ich mußte jedenfalls nach­schlagen

    Ich nicht, Chemiker.

    Django hat nachgezählt 🙂

  8. #8 Mathias
    12. Dezember 2015

    @Strudel

    Aus diesen Daten kann man keine Rückschlüsse auf den Protonenzerfall machen. Das ist Qualitativ was anderes und letztendlich eine Frage, wie Quarks wechselwirken können. Aus diesen sind Protonen nämlich zusammengesetzt. Aus anderen Experimenten weiß man, dass Protonen länger als 10^35 Jahre leben müssen und eine entsprechende Wechselwirkung, die Quarks umwandeln könnte, zumindest extrem unwahrscheinlich ist.

  9. #9 Moss
    12. Dezember 2015

    Die tatsächliche ZerfallsVerteilung ist eine Glockenkurve um die Lebenszeit

    Aha, keine exponentiell fallende Zerfallskurve also? Ist die durchschnittliche Lebensdauer demnach was anderes als die Halbwertszeit?

  10. #10 rolak
    12. Dezember 2015

    was anderes?

    Ja, Moss, obwohl die beiden nicht unzusammenhängend sind, siehe wiki.

  11. #11 gaius
    12. Dezember 2015

    Wieder toll geschrieben, macht Spass zu lesen!

  12. #12 Jens
    12. Dezember 2015

    Dr. Who sagt da aber was anderes. 😉

  13. #13 PDP10
    12. Dezember 2015

    @David:

    Ergänzend zu dem was @rolak schon geschrieben hat:

    Es gibt dafür auch ein vornehmes Wort:

    Das ganze nennt sich Ergodizität.

    Vielleicht eine interessante Referenz zum Nachlesen, warum man, wie @rolak, sagen kann: “und wenn von 100 Quintillionen Elektronen binnen 17 Monaten kein einziges zerfällt, muß diese Glocke ihren Mittelpunkt anscheinend 66 Quadrilliarden Jahre in der Zukunft haben”.

  14. #14 Glockenkurve
    Glockenkurve
    13. Dezember 2015

    Hallo,

    ist wahrscheinlich eine naive Frage aber ich stelle sie trotzdem.
    Wenn man noch nie einen Zerfall des Elektrons beobachtet hat, wie kann man dann schließen, dass es sich beim Zerfall um eine Glockenkurve handelt. Und vor allem wie kann man die Form der Glockenkurve bestimmen? Gibt es nicht auch flache Glockenkurven und ganz steile, die wie ein steiler Peaks aussehen?

    Vielen Dank.

  15. #15 StefanL
    13. Dezember 2015

    @Glockenkurve
    Voraussetzung ist die Existenz eines Erwartungswertes. Dann greift der Zentrale Grenzwertsatz. Das wesentliche ist ja die Aussage zur mittleren Stabilitätsdauer. Und ohne Erwartungswert geht, aufgrund der Beobachtung, die Zerfallswahrscheinlichkeit ebenfalls gegen Null.

  16. #16 Christoph
    13. Dezember 2015

    Hm, der Titel erinnert doch Fatal an SPON-Überschriften: Zum einen fehlt das “Durchschnittlich” zum anderen wäre dann doch wie wissenschaftliche Schreibweise deutlich informativer gewesen. Der Artikel war natürlich trotzdem sehr informativ und sachlich.

  17. #17 Florian Freistetter
    14. Dezember 2015

    Du wärst überrascht wie WENIG informativ die Exponentialschreibweise aus Sicht der meisten Menschen ist. Die wissen nämlich gar nicht, was die bedeutet…

    Und die Überschrift muss auch nicht unbedingt die kompletten Informationen des Textes enthalten.

  18. #18 Wizzy
    14. Dezember 2015

    “Und wenn auch nur eines dieser Elektronen zerfallen sollte, entsteht dabei ebenfalls ein ganz spezifischer Lichtblitz, den die Detektoren sehen könnten.”

    Da man ja noch nie einen Elektronenzerfall beobachtet hat und auch keinen Standardmodell-Zerfallspfad kennt, woher weiß man dann, dass diese unter Aussendung eines “Lichtblitzes” zerfallen, noch dazu eines “ganz spezifischen”? Oder anders gefragt: Hinter diesem Experiment steht doch ein ganz bestimmtes (Nichtstandard-)Modell, oder? Wenn ja, welches?

  19. #19 Mathias
    14. Dezember 2015

    @Wizzy

    Steht im verlinkten Paper. Die nehmen an, dass ein Elektron in ein Elektron-Neutrino und ein Photon zerfallen könnte und bestimmen dann aus ihren Daten die Wahrscheinlichkeit für diesen Zerfall. Es geht hier um nichts anderes, als um das Prinzip der elektrischen Ladungserhaltung. Dann wäre bei positivem Ergebnis die Physik, welche wir jetzt kennen, gestorben.

  20. #20 Paul
    14. Dezember 2015

    @Mathias

    Dann wäre bei positivem Ergebnis die Physik, welche wir jetzt kennen, gestorben.

    … echt jetzt? Äpfel würden Physikern dann nicht mehr auf den Kopf fallen, sondern ins All entfleuchen?

    Sorry, dass ich jetzt polemisch werde; aber ich kann es nicht mehr hören: wenn [beliebiges Versuchsergebnis einsetzen] eintrifft, dann war bisher alles falsch. Nein: Newton gilt auch noch nach Einstein. Es verschiebt sich nur der Geltungsbereich.

    Ich weiß, es trifft jetzt den Falschen. Vor ein paar Tagen habe ich einen ähnlichen Satz in einer dieser Wissenschaftsdokus gehört, ich glaube es war Michio Kaku. Vielleicht war die Aussage ja auch aus dem Zusammenhang gerissen. An anderer Stelle raunte der Kommentator aus dem Off: “Für schwarze Löcher gelten keine Gesetze”. Na ja, hatte sich halt jetzt aufgestaut.

  21. #21 Mathias
    14. Dezember 2015

    @Paul

    Wenn was aufgestaut ist, ist es vielleicht besser nichts zu posten. Wenn die Ladungserhaltung nicht mehr gegeben ist, dann brechen die Grundlagen der ganzen bekannten Physik weg. Maxwell und somit Einstein lägen im Prinzip falsch. Dann ist es letztendlich egal, ob wir fallende Äpfel nach Newton oder Aristoteles oder sonstwem beschreiben, hauptsache sie fallen runter.

  22. #22 Dirk
    14. Dezember 2015

    @Paul: Ist das nicht süß. Wenn nicht alles so ist, wie die Physik versucht es zu erklären, dann ist alles falsch. Da werden bestimmt Leute wie Mathias ne Lösung. Ich kann den Grund für die Polemik gut nachvollziehen.

  23. #23 Dirk
    14. Dezember 2015

    Sorry, sollte heißen “ne Lösung haben”

  24. #24 rolak
    15. Dezember 2015

    wissenschaftliche Schreibweise deutlich informativer

    Die schiere Anzahl Nullen scheint die Nullen in diversen Redaktionen ans Tageslicht zu befördern: Zu der falsch be-, jedoch richtig geschriebenen Zahl bei motherboard kamen bei Übernahme in den brightsAggregator noch 7 Nullen hinzu. m( copy/paste at its worst

  25. #25 chefin
    15. Dezember 2015

    @Paul

    Die Fakten und Beobachtungen bleiben erhalten, lediglich die Schlussfolgerungen sind falsch.

    Wir können zb Gravitation nicht direkt messen, sondern nur über die Fallbeschleunigung. Was wenn die Gravitation garnichts mit der Materie direkt zu tun hat. Wenn also die Materie abschirmend wirkt und deswegen die allgegenwärtige Gravitation den Eindruck erweckt aus der Materie zu kommen (jetzt nur mal so als Verdeutlichung was mit solchen Aussagen gemeint ist).

    Wenn ich dich vor eine geschlossene Türe im Haus stelle und dir sage das da gerade von Aussen 16t drücken, wirst du leicht irritiert sein. Diese Türe hält nämlich keine 200kg aus. Jedenfalls so eine 40Euro Baumarkttür mit Papierkern. Trotzdem drücken 16t drauf rum(1kg/cm² Luftdruck). Aber er drückt auf allem rum, auch innen und im Kern und überall. Aber mach ich die Türe hohl und evakuiere den Kernbereich dann habe ich echte 16t die auf den 1,6m² Türfläche drücken bzw die schon lange vorher alles zerdrückt haben. Luftdruck wirkt eben überall, innen, aussen, oben, unten, links, rechts. Könnte doch mit der Gravitation auch so sein…oder nicht?

    Momentan sagen wir Nein, da wir eben aus Schlussfolgerungen aufgrund der Dinge die wir wissen und der Theorien die wir draus entwickelt haben die Gravitation als Kraft verstehen die aus der Materie heraus wirkt. Aber den unumstösslichen Beweis haben wir meines Wissen nicht. Dazu verstehen wir noch nicht alles von der Gravitation.

    Und ich möchte sogar behaupten, das wenn wir die Gravitation direkt messen können(also auch vollständig verstehen und bewiesen haben), wir auch ein Objekt bauen das als Antigravitation wirkt und uns einen völlig neuen Antrieb beschert.

    Der Apfel wird aber immer nach unten fallen, egal was wir messen, entdecken oder verwerfen.

  26. #26 Wizzy
    17. Dezember 2015

    @Mathias Danke für das Nachsehen! Warum aber gerade dieser Zerfall? Gerade da dieser Zerfall die Ladungserhaltung verletzt, würde ein Elektron vielleicht ganz anders zerfallen – z.B. unter zusätzlicher Verletzung der Energie- und Impulserhaltung ganz verschwinden oder in Dunkle Materie zerfallen. Also, wenn man nur den Zerfall berücksichtigt, den man für falsch hält aber sich halbwegs gut vorstellen kann, ist die Behauptung etwas verwegen das Elektron sei generell so-und-so stabil.

  27. #27 Findelkind
    17. Dezember 2015

    @chefin

    Das geht schon ziemlich in Richtung “Drucktheorie”. Leider “darf” man das heutzutage nicht mehr sagen, weil “die Wissenschaft” dieses Konzept verworfen hat.

    Vielleicht könnte es helfen, statt von der Krümmung des Raumes von der Dichte der Raumzeit zu sprechen, aber das ist wieder nur die Privatphysik eines Graphikers…

  28. #28 Dirk
    18. Dezember 2015

    @Findelkind: es waren immer schon die Ansichten von Graphikern, die den Wissenschaften zu den wichtigen Erkenntnissen verholfen haben. Ich hätte nur noch die Frage: wann wurde denn die Drucktheorie verworfen? Das impliziert ja, dass diese Theorie irgendwannmal ernsthaft in Betracht gezogen wurde. Und Sie sollten mal die Anführungszeichen erklären, die Sie um “die Wissenschaft” gemacht haben. Haben Sie da irgendwelche Zweifel?

  29. #29 Dirk
    18. Dezember 2015

    @chefin: Könnten Sie bitte zu Ihrem letzen Post noch den Zusammenhang zwischen Gravitation und Luftdruck erklären. Wahrscheinlich bin ich nicht in der Lage, dass aus Ihren Aussagen zu extrahieren. Ist wohl meiner mentalen Unzulänglichkeit zuzuschreiben. Ich bitte aber dennoch um Aufklärung. Danke.

  30. #30 PDP10
    18. Dezember 2015

    @Wizzy:

    Also, wenn man nur den Zerfall berücksichtigt, den man für falsch hält aber sich halbwegs gut vorstellen kann, ist die Behauptung etwas verwegen das Elektron sei generell so-und-so stabil.

    So einfach machen es sich die Physiker nun auch nicht.

    Oben im Artikel steht schon der Grund:

    Denn alle bekannte Teilchen die eine geringere Masse haben als das Elektron (zum Beispiel Neutrinos), sind elektrisch neutral. Es gibt für das Elektron also keinen bekannten Weg zu zerfallen, ohne dabei die Ladungserhaltung zu verletzen.

    Nochmal anders formuliert:

    Die Teile in die das Elektron zerfällt müssen naturgegeben leichter sein als das Elektron (Massenerhaltung) und die gesamt-Ladung der Teile muss gleich der sein, die das Elektron hat (Ladungserhaltung).

    Es existiert aber keine Kombi aus bekannten Teilchen, die beides erfüllen kann.
    Es gibt hier also keine, wie auch immer geartete, Möglichkeit wie das Elektron zerfallen könnte.

    Das hat nichts mit “halbwegs gut vorstellen” zu tun.

  31. #31 PDP10
    18. Dezember 2015

    @Dirk:

    “Ist das nicht süß. Wenn nicht alles so ist, wie die Physik versucht es zu erklären, dann ist alles falsch. Da werden bestimmt Leute wie Mathias ne Lösung. Ich kann den Grund für die Polemik gut nachvollziehen.”

    Ich nicht.

    Bevor man solche “Polemiken” vom Stapel lässt, wäre es zB hilfreich sich mal mit so etwas fundamentalen wie dem Noether-Theorem zu beschäftigen (Nebenbei bemerkt, dem schönsten Theorem aus der mathematischen Physik, dass es IMHO gibt).

    Die Verletzung des selben durch eine Verletzung der Ladungserhaltung würde in der Tat die Grundlagen der Physik, wie wir sie heute kennen, erschüttern.

    Im übrigen gilt wie immer:

    Das du etwas nicht verstehst, heisst nicht, dass es falsch ist. Es heisst nur, dass du es nicht verstehst – oder noch nicht verstanden hast. Dazu lernen lässt sich ja immer.

  32. #32 Dirk
    19. Dezember 2015

    @PDP10:
    Ich bin der Meinung, eine solche Symmetrieverletzung würde nicht die Grundlagen der Physik, sondern erstmal nur deren mathematische Beschreibung verletzen. Aber da kann ich mich auch irren (Ich hatte schon immer Probleme mit Fräulein Emmy(s.A.Einstein)). Für mich ist die mathematische Beschreibung halt “nur” ein (ziemlich guter) Versuch die Natur zu erfassen. Ich finde, die experimentellen Ergebnisse sollten zuerst der Leitfaden sein.

    Wahrscheinlich bist Du aber erfahrener als ich, ich habe erst bei PDP11 angefangen mich im Labor rumzutreiben.

  33. #33 PDP10
    19. Dezember 2015

    @Dirk:

    “Ich hatte schon immer Probleme mit Fräulein Emmy(s.A.Einstein))”

    Ich verweise nochmal auf den letzten Absatz in meiner #31 und ergänze den letzten Satz um “wenn man es denn will”.

  34. […] Elektronen sind stabil – zumindest für 66 Quadrilliarden Jahre! […]