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Elementarteilchenphysik: Verletzte Invarianz

Materie und Antimaterie sollten im Urknall zu gleichen Teilen entstanden sein, doch heute beobachten wir weit und breit nur Materie. Erklären kann das bislang keiner. In Milliarden von Teilchenkollisionen glauben Wissenschaftler jetzt vielleicht einem neuen Mechanismus auf die Schliche zu kommen.
Paul Diracs TafelLaden...
Der Physiker Paul Dirac schrieb vor rund achtzig Jahren eine Gleichung nieder, die das Verständnis von Materie grundlegend änderte. Dabei wollte er nur das Verhalten eines Elektrons beschreiben, indem er sowohl die Relativitätstheorie als auch die Quantenphysik einbezog. Das Ergebnis, die berühmte Dirac-Gleichung, brachte ihm wenig später den Nobelpreis ein. Doch zunächst einmal sorgte sie für Ungehaltenheit unter den Wissenschaftlern: Hatte sie doch Elektronen mit positiver und negativer Energie zur Lösung.

Ein Widerspruch zur klassischen Physik, denn die Energie muss stets positive Werte annehmen. Anstatt seine Arbeit sofort wieder zu verwerfen, postulierte Dirac kurzerhand Antiteilchen. Deren Eigenschaften entsprechen exakt denen der Teilchen, nur tragen sie die umgekehrte Ladung. Im Jahr 1932 wies Charles Anderson dann tatsächlich die Spuren von Positronen, den positiven Pendants des Elektrons, in einer Blasenkammer nach.

Inzwischen ist ein wahrer Teilchenzoo – und natürlich der entsprechende Antizo – zusammengekommen. Eigentlich sollte keine der beiden Parteien irgendwelche Vorteile gegenüber der anderen haben. Das heißt, die physikalischen Gesetze in einem System sollten sich nicht ändern, wenn alle Teilchen plötzlich durch ihre Antiteilchen ersetzt würden. Ebenso wenig dürften gespiegelte Raumkoordinaten eine Rolle spielen.

Fehltritt der Natur

Physiker reden in diesem Zusammenhang von der so genannten CP-Invarianz (C für Charge und P für Parity). Diese impliziert allerdings auch, dass beide Materiesorten im Urknall zu gleichen Teilen erschaffen wurden. Heutzutage ist von dieser Gleichberechtigung allerdings wenig zu spüren, denn das Universum wird anscheinend von Materie dominiert. Ein Zufall oder eine Asymmetrie in den Naturgesetzen? Teilchenphysiker plädieren für letzteres.

Sie nennen diesen Fehltritt der Natur CP-Verletzung und versuchen ihn seit einigen Jahrzehnten in das Standardmodell der Teilchenphysik zu integrieren – doch viel Spielraum bleibt in dem experimentell gut bestätigten Modell nicht. Einige Physiker schlugen vor, dass die schwache Wechselwirkung – eine der vier fundamentalen Kräfte zwischen Teilchen – Antimaterie und Materie nicht gleich behandelt.

Sie soll dafür sorgen, dass die beiden auf leicht asymmetrische Weisen zerfallen. Geprüft wird diese These gerne an so genannten B-Mesonen, die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen – den nach heutigem Wissen elementaren Bestandteilen der Materie. Nach einigen Billionstel Sekunden zerfallen die Partikel allerdings auch schon wieder. Nicht einfach in Bruchstücke, sondern in gänzlich andere Teilchen.

Im Jahr 2002 meldeten Wissenschaftler erstmals die Beobachtung der Asymmetrie im Zerfall der B-Mesonen. Seither zerfielen weitere Milliarden von B-Mesonen und ihren Gegenstücken und halfen den Physikern, die Parameter des Standardmodells weiter einzuschränken. Doch leider stellte sich heraus, dass der von dem Modell vorhergesagte Grad an Asymmetrie voraussichtlich um zehn Größenordnungen zu klein sein wird, um das beobachtete Übergewicht an Materie im Weltall zu erklären.

Erhärtete Beweise

Am Experiment Belle am Forschungszentrum für Hochenergiephysik Kek in Japan beobachteten Wissenschaftler nun 535 Millionen B-Meson-Anti-B-Meson-Paare. Dabei konnten sie einen deutlichen Unterschied im Zerfall von geladenen und neutralen Teilchen feststellen. Bei geladenen B-Mesonen betrug die Differenz der Zerfälle von negativen und positiven B-Mesonen sieben Prozent der gesamten Ereignisse. Beim Zerfall von neutralen B-Mesonen und ihren Antiteilchen liegt sie bei zehn Prozent.

Bereits frühere Arbeiten hatten auf eine solche Asymmetrie hingedeutet. Die neue Studie reduziert die Fehler der Zerfallsrate von geladenen Teilchen jetzt um das 1,7-fache und erhärtet damit die Beweise für eine große Abweichung in der CP-Verletzung in geladenen und neutralen B-Meson-Zerfällen. Dies könnte auf einen neuen Mechanismus hindeuten, der für die Missachtung der Invarianz verantwortlich ist. Mögliche Quellen gäbe es genug – nur muss dazu ordentlich über das bisherige Bild der Teilchenphysik hinausgegangen werden.

So könnte es einen neuen und schwereren Typ von Elementarteilchen geben als Quarks und Leptonen. Andererseits schließen die Forscher aber auch nicht aus, dass die große Abweichung auf das begrenzte Verständnis der starken Wechselwirkung zurückzuführen ist. Somit sind die neuen Ergebnisse sicherlich noch nicht der Weisheit letzter Schluss, aber dennoch geben sie einen neuen Impuls in der Suche nach jenen glücklichen Umständen, denen wir unsere Existenz verdanken.
20.03.2008

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 20.03.2008

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