Materie gegen Antimaterie: Die Natur spielt mit gezinkten Karten

Ein internationales Physikerteam, darunter auch deutsche Forscher der Universitäten Bochum, Dresden, Heidelberg und Rostock, haben am US-Teilchenbeschleuniger SLAC eine deutliche Unsymmetrie zwischen dem Zerfall bestimmter Elementarteilchen und ihrer Antiteilchen beobachtet. Derartige Unsymmetrien erklären, warum unser Universum nur aus Materie, aber nicht aus Antimaterie besteht. Die Forscher stellen ihr Ergebnis im ePrint-Archiv arXiv.org (hep-ex/0407057) vor.
Stellen Sie sich vor, Sie stehen vor einem Spiegel und spielen Roulette. Sie drehen die Roulettescheibe mit der rechten Hand, ihr Spiegelbild benutzt die linke Hand. Ihre Roulettescheibe dreht sich im Uhrzeigersinn, die Scheibe im Spiegel dreht sich entgegen dem Uhrzeigersinn. So weit ist die Welt in Ordnung und gehorcht den physikalischen Gesetzen. Doch dann beobachten Sie, dass bestimmte Zahlen bei Ihrem Roulettespiel öfter von der Kugel getroffen werden als im Spiegelbild. Was bei einem tatsächlichen Spiegel absurd wäre, ist bei bestimmten physikalischen Phänomenen Realität.

Bereits 1957 entdeckte die Kernphysikerin Chien Shiung Wu bei einem radioaktiven Experiment, dass nur linkshändige Teilchen zerfielen, rechtshändige dagegen nicht. Links- bzw. rechtshändig bezieht sich auf die Drehrichtung ? den Spin ? des Teilchens. Betrachtet man ein linkshändiges Teilchen im Spiegel, dann sieht es aus wie ein rechtshändiges. Da dieses im Gegensatz zum linkshändigen nicht zerfallen kann, sagt man: Das Experiment hat die Spiegelsymmetrie ? genauer: die Parität ? verletzt.

Nachdem sie diese Symmetrieverletzung akzeptieren mussten, versuchten die Physiker, zumindest eine verallgemeinerte Symmetrie zu retten. Wenn sich ein Teilchen und sein Spiegelbild schon nicht gleich verhalten, vielleicht kann man die Symmetrie ja wiederherstellen, wenn man im Spiegelbild zusätzlich das Teilchen durch sein Antiteilchen ersetzt? In Wu's Experiment konnte man die Symmetrie auf diese Weise retten. Doch bereits 1964 wurde ein Teilchenzerfall beobachtet, der auch diese erweiterte, so genannte CP-Symmetrie, verletzte.

Das BaBar-Team am SLAC-Teilchenbeschleuniger in Stanford hat jetzt eine weitere deutliche Verletzung dieser CP-Symmetrie entdeckt. Im SLAC werden Elektronen und ihre Antiteilchen ? Positronen ? mit hoher Geschwindigkeit aufeinandergeschossen. Aus der frei werdenden Energie entstehen neue Teilchen, unter anderem B-Mesonen und ihre Antiteilchen. Diese zerfallen wiederum innerhalb einer Millionstel Sekunde in weitere Teilchen.

Die Forscher untersuchten insgesamt 200 Millionen Zerfälle der B-Mesonen. Dabei interessierten sie sich insbesondere für die Fälle, in denen die B-Mesonen in Pionen und Kaonen zerfielen. Sie fanden ein deutliches Ungleichgewicht zwischen dem Verhalten der B-Mesonen und ihrer Antiteilchen ? nämlich 910 derartige Zerfälle der B-Mesonen und nur 696 ihrer Antiteilchen.

Man glaubt, dass derartige Verletzungen der CP-Symmetrie dafür verantwortlich sind, dass es in unserem Universum heute keine Antimaterie mehr gibt. Denn man geht davon aus, dass kurz nach dem Urknall gleiche Mengen beider Materiearten im Universum vorhanden waren. Nur weil die Natur bei einer CP-Spiegelung "mit gezinkten Karten" spielt, konnte im Laufe der Zeit ein Übergewicht an Materie geschaffen werden. Beim Zusammentreffen von Materie- und Antimaterieteilchen vernichteten sich beide gegenseitig. Übrig blieb der Materieüberschuss.

Axel Tillemans


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