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Teilchenzerfall Die Asymmetrie der Zeit

Was man bei einer Kaffeetasse, die zu Boden fällt, sofort sieht, ist auch in der Welt subatomarer Teilchen erfüllt: Die Uhren laufen stets vorwärts.

© Slac Vergrößern Blick ins Innere des Barbar-Detektors

Der Fluss der Zeit ist unumkehrbar, wie sich leicht an einer vom Tisch fallenden Kaffeetasse beobachten lässt. Dass sich die Scherben spontan zusammenfügen und die Tasse zurück auf den Tisch springt, hat schließlich noch niemand beobachtet. Eine zerschellende Tasse ist ein irreversibler, nicht umkehrbarer Prozess: Dieser definiert gewissermaßen die Richtung des „Zeitpfeils“ - und erinnert uns an die Vergänglichkeit der Dinge. In der Welt der subatomaren Teilchen ist das offenbar nicht viel anders, wie Physiker des BaBar-Experiments am Forschungslabor Slac in Stanford (Kalifornien) nun herausgefunden haben. Auch dort existiert ein Zeitpfeil: So ereignen sich bestimmte Teilchenzerfälle häufiger in der einen Zeitrichtung als in der anderen (“Physical Review Letters“, Bd. 109, Nr. 211801).

Die Richtung Spiegeln und die Ladung vertauschen

Die Erkenntnis ist zwar nicht überraschend, seit fast fünfzig Jahren haben die Physiker nach dem letzten Beweis dafür gesucht. Seit den sechziger Jahren weiß man, dass sich Teilchen und Antiteilchen nicht völlig gleich verhalten: Ein physikalischer Prozess, bei dem die Teilchen gegen ihre Antiteilchen ersetzt und zudem „gespiegelt“ werden, für den „links“ und „rechts“ also vertauscht sind, verläuft unter Umständen auf eine andere Weise. Diesen Effekt nennt man CP-Verletzung, da die Symmetrie der physikalischen Gesetze verletzt ist, wenn die elektrischen Ladung (C) und der Parität (P), also die Händigkeit, vertauscht werden. Diese Erkenntnis zog eine weitere Schwierigkeit nach sich. Die moderne Physik beruht auf der Annahme, dass die kombinierte Symmetrie aus Ladung, Parität und Zeit (T) stets erhalten ist.

Nun kommt die Zeit dazu

Wenn dieses sogenannte CPT-Theorem bei gebrochener CP-Symmetrie weiterhin gelten soll, muss zwangsläufig auch die Symmetrie der Zeit gebrochen sein. Bestimmte Teilchenzerfälle müssten deshalb anders ablaufen, wenn man nur die Zeitrichtung umkehrt, die Ladung und die Parität der am Zerfall beteiligten Teilchen jedoch beibehält. Doch im Gegensatz zur Welt der zerschellenden Kaffeetassen verhalten sich die subatomaren Teilchen oft völlig symmetrisch gegenüber der Zeitumkehr.

Experimente am Slac in Stanford

Nun haben die Wissenschaftler mit dem BaBar-Detektor die Verletzung der Zeitsymmetrie zweifelsfrei nachweisen können. In dem Teilchenbeschleuniger des Slac haben sie Elektronen und deren Antiteilchen, die Positronen, aufeinandergeschossen, wobei sogenannte B-Mesonen entstanden. Mehr als 400 Millionen dieser aus einem Quark und Antiquark bestehenden Partikel beobachteten die Physiker dabei, wie sie in leichtere Teilchen zerfielen.

Dabei traten Umwandlungsprozesse auf, in denen die Mesonen zwischen zwei Zuständen wechselten. Den Forschern fiel auf, dass diese Umwandlungen sechsmal so häufig in eine bestimmte Richtung verliefen. Da die betreffenden Zustände nur über die Zeit-Symmetrie, nicht aber über die CP-Symmetrie verbunden sind, lässt sich die beobachtete Asymmetrie nur durch eine Verletzung der Zeit-Symmetrie verstehen. Damit ist das CPT-Theorem offenkundig bestätigt. So hat die Zeit auch in der Welt der Elementarteilchen eine Vorzugsrichtung. Dem gnadenlosen Ticken der kosmischen Uhr entkommt keiner.

Quelle: F.A.Z.

 
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Veröffentlicht: 11.12.2012, 18:00 Uhr