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Verletzte Symmetrie : Warum gibt es so viel Materie?

Blick ins Innere des LHCb-Detektors. Zu sehen ist der gewaltige Magnet, der die geladenen Reaktionsprodukte in Richtung Detektor lenkt. Bild: Cern

Materie und Antimaterie werden von bestimmten physikalischen Prozessen nicht ebenbürtig behandelt. Das zeigt sich auch beim Zerfall von schweren D-Mesonen. Der Befund ist ein weiteres Puzzlestück eines großen Rätsels.

          Ob Galaxien, Sterne, Kometen oder Planeten wie unsere Erde – alles besteht aus Materie. Auf Antimaterie trifft man im Universum so gut wie nicht. Dabei waren beide Bestandteile nach heutiger Vorstellung beim Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren zu gleichen Teilen entstanden. Warum sich Materie und Antimaterie nicht sofort wieder vollständig vernichteten, wie es immer der Fall ist, wenn Teilchen auf Antiteilchen aufeinandertreffen, war lange Zeit ein Rätsel. Heute nimmt man an, dass der Mechanismus der Symmetrieverletzung der Grund dafür ist, dass zumindest ein Teil der Materie überlebt hat. Dass von diesem Effekt offenkundig vor allem Elementarteilchen betroffen sind, die aus einem Quark und Antiquark bestehen, haben nun auch Physiker des europäischen Forschungszentrums Cern bei Genf in einem Großexperiment bestätigen können.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Lange glaubten die Physiker, dass die bekannten Naturgesetze Materie und Antimaterie völlig gleichwertig behandeln. Insbesondere sollten sich physikalische Prozesse nicht ändern, wenn sie spiegelverkehrt (Parität P) betrachtet werden und man die Ladung (C) vertauscht, also alle Teilchen durch ihre Antiteilchen ersetzt. Doch erste Zweifel kamen schon vor mehr als einem halben Jahrhundert auf. Diese erhärteten sich, als 1964 die späteren Nobelpreisträger James Cronin und Val Fitch am Brookhaven National Laboratory eine Unregelmäßigkeit beim Zerfall künstlich erzeugter K-Mesonen entdeckten, die sich aus Quarks und Antiquarks zusammensetzten.

          Graphik des Detektors LHCb und die Spuren von Fragmenten nach dem Zerfall von Mesonen.

          Das Messergebnis unterschied sich für Teilchen und Antiteilchen, wobei die Materie die Oberhand behielt. Erst später wurde die Ursache dafür klar: die schwache Wechselwirkung, die beim Zerfall von aus Quarks und Antiquarks zusammengesetzten Teilchen wie den K-Mesonen eine zentrale Rolle spielt, macht einen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie. Sie verletzt überall dort, wo eine  Mischung von  Quark und Anitquarks auftritt die CP-Symmetrie.

          Raum für neue Physik

          Der bei den K-Mesonen beobachtete Effekt war allerdings zu klein, um die Dominanz der Materie im Universum erklären zu können. Hoffnung keimte auf, als Physiker am Forschungszentrum Slac in Stanford Anfang 2000 nachwiesen, dass auch die B-Mesonen mit der CP-Regel brechen. Die B-Mesonen sind ähnlich wie die K-Mesonen aufgebaut, enthalten aber statt eines Strange-Quarks ein viel schwereres Bottom-Quark. Deshalb sollte die CP-Verletzung stärker ausgeprägt sein. Der Zerfall der B-Mesonen lieferte zwar in der Tat noch einen größeren Materieüberschuss. Aber auch dieser war zu klein, um die Dominanz der Materie im Universum vollends erklären zu können.

          Und so haben die Teilchenphysiker ihre Suche fortgesetzt. Insbesondere hatte man die neutralen D-Mesonen seit ihrer Entdeckung vor 40 Jahren im Blick. Anzeichen für ein Anomalie beim Zerfall der aus einem Charm- und einem Anti-Up-Quark bestehenden Teilchen hat man bislang nicht finden können. Bis jetzt. In der vergangenen Woche verkündeten nun die Physiker des LHCb-Experiments am Cern, sie hätten in ihren Daten klare Hinweise dafür gefunden, dass auch beim Zerfall ungeladener D0-Mesonen die Symmetrie-Regel missachtet wird.

          CP-Asymmetrie von Materie und Antimaterie, symbolisiert durch einen Spiegel: Beim Zerfall von D-Mesonen  treten bestimmte Zerfallsformen häufiger auf als beim Zerfall der Anti-D-Mesonen. Die Materie behält auch hier die Oberhand.

          In den vergangenen Jahren hatte man bei Kollisionen von Protonen im Large Hadron Collider D0-Mesonen und deren Gegenstücke in großer Zahl produziert. Die kurzlebigen Teilchen zerfielen schnell in andere Partikeln. Das Auszählen der entstandenen Produkte ergab, dass die Anti-D-Mesonen schneller zerfielen als ihre Materiependants. Die D-Mesonen haben sich als stabiler erwiesen. Die Cern-Forscher werten das als weiteren Hinweis dafür, dass symmetrieverletzende Prozesse eine zentrale Rolle im frühen Universum gespielt haben und dafür sorgten, dass nicht die ganze Materie vernichtet wurde.

          Allerdings ist auch hier der gemessene Effekt zu klein, um das Übergewicht von Materie im Universum ganz erklären zu können. Es ist nach Ansicht der Forscher eine weitaus größere Verletzung der CP-Symmetrie erforderlich, als man sie bislang beobachtet. Es sei durchaus denkbar, dass die Natur noch weitere, bislang unbekannte Wege gefunden hat, die Balance zu stören. Große Hoffnung setzen die Physiker auf den japanischen Teilchenbeschleuniger „SuperKEKB“ in Tsukuba, der mächtig aufgerüstet wurde und vor kurzem seinen Betrieb aufgenommen hat. Bei Teilchenkollisionen sollen B-Mesonen in weitaus größerer Zahl erzeugt werden, als es bisher der Fall war. Mit mehr Daten rechnet man sich größere Chancen aus, das ganze Rätsel um das Materie-Antimaterie-Ungleichgewicht doch noch lösen zu können.

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