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Zerbrochener Spiegel : Warum gibt es im Universum keine Antimaterie?

Blick ins Innere des Wassertanks von Super-Kamiokande, während Wartungsarbeiten. Die Innenwand ist mit 13.000 Lichtsensoren ausgestattet. Sie registrieren die von den Neutrinos erzeugte Tscherenkow-Strahlung. Bild: T2K, University of Tokyo

Warum gibt es etwas und nicht nichts? Bestimmte physikalische Prozesse behandeln Materie und Antimaterie nicht gleichwertig. Das zeigt sich auch bei der Oszillation von Neutrinos.

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          Das Universum, wie es sich uns mit seinen Galaxien, Sternen und Planeten so eindrucksvoll präsentiert, dürfte eigentlich gar nicht existieren. Denn glaubt man den gängigen Theorien, waren beim Urknall vor ungefähr 13,8 Milliarden Jahren Materie und Antimaterie zu gleichen Anteilen entstanden. Warum sich Materie und Antimaterie innerhalb von Sekundenbruchteilen nicht wieder vollständig vernichteten, wie es immer der Fall ist, wenn Teilchen und Antiteilchen aufeinandertreffen, ist noch immer ein Rätsel.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Heute nimmt man an, dass der Mechanismus der Symmetrieverletzung der Grund ist, warum die Materie überlebt hat. Bislang hat man diesen Asymmetrie-Effekt jedoch nur beim Zerfall von Materieteilchen, die aus einem Quark-Antiquark-Paar (sogenannte Mesonen) bestehen, beobachtet – allerdings nur in einer schwachen Ausprägung. Doch nun hat eine internationale Forschergruppe des japanischen T2K-Experiments erste Hinweise gefunden, dass die Natur auch bei den Neutrinos zwischen Materie und Antimaterie unterscheidet. Sollte sich der Befund erhärten, wäre man der Lösung des Materie-Antimaterie-Rätsels deutlich näher gekommen.

          Lange glaubten die Physiker, dass die bekannten Naturgesetze Materie und Antimaterie völlig gleichwertig behandeln würden. Doch Zerfälle von K- und B- und jüngst auch von D-Mesonen haben das Gegenteil gezeigt. Heute weiß man, dass bei der Symmetrieverletzung die schwache Wechselwirkung eine zentrale Rolle spielt. Sie verletzt aufgrund der Mischung verschiedener Arten von Quarks in den Mesonen die CP-Symmetrie. Danach ändern sich physikalische Prozesse, wenn Teilchen durch ihre Antiteilchen (C) ersetzt werden und sie spiegelverkehrt (P) verlaufen. Allerdings ist der bislang gemessene Effekt zu klein, um die Dominanz der Materie im Universum erklären zu können. Seit langem sucht man nach einer CP-Verletzung bei den Neutrinos, die wie die Quarks zu den Grundbausteinen der Materie zählen und der schwachen Kraft unterliegen.

          Deutliche Hinweise, aber noch kein Beweis

          Im Fokus steht dabei der chamäleonartige Charakter der ungeladenen Geisterteilchen, die jegliche Materie fast ungehindert durchdringen können. Die Neutrinos, von denen man drei Varianten kennt – das Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino –, können sich im Flug periodisch ineinander umwandeln und so ihre Identität wechseln. Ein Elektron-Neutrino beispielsweise wandelt sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in ein Myon-Neutrino um und ein Myon-Neutrino in ein Elektron-Neutrino. Seit man dieses seltsame Phänomen vor gut zwanzig Jahren bei Myon-Neutrinos aus der Höhenstrahlung entdeckte, sind mittlerweile alle potentiellen Umwandlungsmöglichkeiten beobachten worden, einschließlich der Oszillation von Antineutrinos. Weil sich die verschiedenen Neutrino-Varianten ähnlich wie die Quarks untereinander mischen können, wurde schon lange vermutet, dass auch bei den schwach wechselwirkenden Neutrinos die CP-Symmetrie verletzt ist.

          Geographische Lage des T2K-Experiments
          Geographische Lage des T2K-Experiments : Bild: T2K-Experiment.org

          Nach Indizien fahnden seit nun mehr fast zehn Jahren die Wissenschaftler der T2K-Kollaboration mit dem japanischen Neutrino-Observatorium Super-Kamiokande. Der Detektor ist mit 50.000 Tonnen reinen Wassers gefüllt und befindet sich zum Schutz vor störender Höhenstrahlung in einem Bergwerk tausend Meter tief unter der Erde unweit der Stadt Kamioka. Er ist auf den Nachweis von Elektron-Neutrinos spezialisiert und kann offenlegen, wie häufig sich ein ankommendes Neutrino auf seinem Flug umgewandelt hat. Als Neutrino-Quelle dient der Teilchenbeschleuniger J-Parc im 295 Kilometer entfernten Ort Tokai. Der Beschleuniger liefert intensive Strahlen von Myon-Neutrinos und deren Spiegelbild. Doch nur ein kleiner Teil davon hinterlässt anhand von Tscherenkow-Licht Spuren im Wassertank von Super-Kamiokande.

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