Antimaterie: Mehr als nur Anti
Mit dem LHCb-Detektor untersuchtes Zerfallereignis. Bild: CERN
Würden sich Materie und Antimaterie nur im Vorzeichen ihrer Ladung unterscheiden, gäbe es das Universum vermutlich nicht
Zu jedem Teilchen, etwa Proton, Myon oder Elektron, gibt es so genannte Antiteilchen, in diesem Fall Anti-Proton, Anti-Myon oder Positron. Wenn beide sich treffen, zerstrahlen sie zu reiner Energie. Ansonsten unterscheiden sich Teilchen und Antiteilchen auf den ersten und zweiten Blick nicht.
Das ist erstens eines der großen Rätsel der Wissenschaft und zweitens der Grund, dass Sie diesen Artikel überhaupt lesen können. Denn beim Urknall müssten eigentlich gleich viele Teilchen und Antiteilchen entstanden sein. Wäre das der Fall, hätte sich das frühe All kurz nach seiner Entstehung in einer gigantischen Annihilation wieder aufgelöst.
Tatsächlich beobachten wir heute ein extremes Übergewicht normaler Materie. Es muss also beim Urknall irgendwie dazu gekommen sein, dass mehr Materie als Antimaterie entstand - dass es irgendwo im All noch ein rein aus Antimaterie bestehende Ecke gibt, können die Astronomen mit großer Sicherheit ausschließen.
Die Verletzung der "CP-Invarianz"
Wenn es einen solchen Prozess gab, muss er in der Lage gewesen sein, eindeutig zwischen Materie und Antimaterie zu diskriminieren. Es muss also physikalische Unterschiede zwischen beiden geben, die über das "Anti" hinausreichen. Die Wissenschaftler haben auch schon einen Namen für diesen Unterschied: "CP-Verletzung".
Zwar fehlt noch eine übergreifende Theorie, die die Herkunft der (kosmoslogisch notwendigen) CP-Verletzung begründet. Doch man kann ja auch das Phänomen auch erst einmal nachweisen, bevor man (vermutlich im Rahmen künftiger übergreifender Theorien wie der M-Theorie) zu verstehen versucht, wo sie denn herkommt.
So haben es Physiker schon immer gehalten: Man kann ja auch messen, wie schnell ein Apfel nach unten fällt, ohne die Natur der Gravitation bis ins letzte zu verstehen. Solche Messungen können aber später dabei helfen, die schöne Theorie mit richtigen Zahlen zu füllen.
CP-Verletzung, das bedeutet ausführlich formuliert eine Verletzung der CP-Invarianz: Die physikalischen Zusammenhänge und Gesetzmäßigkeiten in einem System sollten sich nicht ändern, wenn alle Teilchen durch ihre Antiteilchen ersetzt und gleichzeitig alle Raumkoordinaten gespiegelt werden.
Der Zerfall von Lambda-Teilchen und deren Antiteilchen
Einen Mechanismus dafür kennt sogar schon das gängige Standardmodell der Elementarteilchenphysik. Beim so genannten Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Mechanismus (CKM) erfolgen Übergänge zwischen Up- und Downquarks anders, wenn wir uns in der "Anti"-Domäne bewegen.
Allerdings reicht der CKM bei weitem nicht, das Übergewicht der Materie im All zu erklären. Und auch die Beobachtung, das die CP-Invarianz nicht für den Zerfall neutraler K-Mesonen und von B-Mesonen gilt, ist noch nicht zufriedenstellend. Die Physiker sind deshalb sehr begierig darauf, weitere Vorgänge zu finden, bei denen die CP-Invarianz verletzt wird. Genau das ist jetzt Forscher am CERN gelungen, die ihre Ergebnisse in einem Paper in Nature Physics beschreiben.
Das Team hat am LHCb-Detektor des CERN Zerfälle von Lambda-Teilchen und deren Antiteilchen untersucht, genauer gesagt von Λ0b. Diese enthalten ein Up-, ein Bottom- und und ein Down-Quark und haben eine mittlere Lebensdauer von gut einer Billionstel Sekunde.
Vor allem aber handelt es sich um Baryonen - eine Teilchenfamilie, zu der auch Protonen, Neutronen und deren Antiteilchen gehören. Bisher hatte man CP-Verletzungen nur bei den aus zwei Quarks bestehenden Mesonen nachweisen können.
In den Ergebnissen des Detektors zeigte sich statistisch signifikant (und zwar mit einer Standardabweichung von 3 σ), dass Lambda-Teilchen und ihre Antiteilchen am Ende ihres kurzen Lebens auf leicht unterschiedlichen Wegen zerfallen - was sich nur über eine CP-Verletzung begründen lässt.