Das CERN hat einen weiteren Hinweis auf das Geheimnis der verschwundenen Antimaterie im Universum entdeckt

Das CERN hat einen weiteren Hinweis auf das Geheimnis der verschwundenen Antimaterie im Universum entdeckt

Dies ist eines der größten Geheimnisse der Physik. Alle Teilchen, aus denen die Materie um uns herum besteht - Elektronen und Protonen - haben Versionen von Antimaterie, die nahezu identisch sind, jedoch spiegelnde Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise die entgegengesetzte elektrische Ladung.

Wenn sich Antimaterie und ein Materieteilchen treffen, vernichten sie sich in einem Energiestoß.

Wenn Antimaterie und Materie zwar identisch sind, sich aber spiegeln, sollten sie während des Urknalls in gleichen Mengen hergestellt worden sein. Das Problem ist, dass es alles zerstören würde. Aber heute gibt es im Universum fast keine Antimaterie mehr - sie kommt nur in einigen radioaktiven Zerfällen und in einem kleinen Teil der kosmischen Strahlung vor.

Also, was ist mit ihm passiert? Mithilfe des LHCb-Experiments am CERN zur Untersuchung des Unterschieds zwischen Materie und Antimaterie haben wir einen neuen Weg gefunden, diesen Unterschied zu machen.

Die Existenz von Antimaterie wurde durch die Gleichung des Physikers Paul Dirac vorhergesagt, die die Bewegung von Elektronen im Jahr 1928 beschreibt. Es war zunächst unklar, ob dies nur eine mathematische Eigenart oder eine Beschreibung eines realen Teilchens war.

Doch 1932 entdeckte Karl Anderson Antimaterie, den Partner des Elektrons - das Positron - bei der Untersuchung kosmischer Strahlen, die vom Weltraum auf die Erde fallen. In den nächsten Jahrzehnten entdeckten Physiker, dass alle Materieteilchen Antimateriepartner haben.

Wissenschaftler glauben, dass in einem sehr heißen und dichten Zustand kurz nach dem Urknall Prozesse stattgefunden haben sollten, in denen Materie Antimaterie bevorzugt. Dies erzeugte einen leichten Überschuss an Materie, und als das Universum abkühlte, wurde die gesamte Antimaterie durch eine gleiche Menge an Materie zerstört oder vernichtet, wobei ein winziger Überschuss an Materie zurückblieb.

Und es ist dieser Überschuss, der alles ausmacht, was wir heute im Universum sehen.

Es ist unklar, welche Prozesse genau zum Überschuss geführt haben, und die Physiker beobachten dies seit Jahrzehnten genau.

Das Verhalten von Quarks, die neben Leptonen die Grundbausteine ​​der Materie darstellen, kann Aufschluss über den Unterschied zwischen Materie und Antimaterie geben. Quarks gibt es in vielen verschiedenen Arten oder "Geschmacksrichtungen", die als oben, unten, charmant, seltsam, fleißig und wahr bekannt sind, sowie sechs passende Antiquarks.

Die Auf- und Ab-Quarks bilden die Protonen und Neutronen in den Kernen der gewöhnlichen Materie, und andere Quarks können durch energiereiche Prozesse gebildet werden - beispielsweise wenn Partikel in Beschleunigern wie dem Large Hadron Collider am CERN kollidieren.

Teilchen, die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen, werden Mesonen genannt, und es gibt vier neutrale Mesonen (B0S, B0, D0 und K0), die ein aufregendes Verhalten zeigen. Sie können sich spontan in ihren Antiteilchenpartner verwandeln und dann wieder zurück - ein Phänomen, das erstmals 1960 beobachtet wurde.

Weil sie instabil sind, "zerfallen" sie - zerfallen - irgendwann während ihrer Schwingung in andere stabilere Teilchen. Dieser Zerfall tritt bei Mesonen etwas anders auf als bei Antimesonen, was in Kombination mit der Oszillation bedeutet, dass die Zerfallsrate mit der Zeit variiert.

Die Regeln für Schwingungen und Zerfälle werden durch einen theoretischen Rahmen vorgegeben, der als Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Mechanismus (CKM) bezeichnet wird. Er sagt voraus, dass es einen Unterschied im Verhalten von Materie und Antimaterie gibt, aber es ist zu klein, um die überschüssige Materie im frühen Universum zu erzeugen, die notwendig ist, um die Fülle zu erklären, die wir heute sehen.

Dies weist darauf hin, dass es etwas gibt, das wir nicht verstehen, und dass das Studium dieses Themas einige unserer grundlegendsten Theorien in der Physik in Frage stellen könnte.

Neue Physik?

Unser jüngstes Ergebnis des LHCb-Experiments ist die Untersuchung neutraler B0S-Mesonen, die Untersuchung ihres Zerfalls in Paare geladener K-Mesonen. B0S-Mesonen wurden durch Kollision von Protonen mit anderen Protonen am Large Hadron Collider erzeugt, wo sie in ihrer Antisaison schwangen und drei Billionen Mal pro Sekunde zurückprallten. Die Kollisionen erzeugten auch Anti-B0S-Mesonen, die auf die gleiche Weise schwingen, und gaben uns Proben von Mesonen und Antimesonen, die wir vergleichen konnten.

Wir haben die Anzahl der Zerfälle in den beiden Proben gezählt und die beiden Zahlen verglichen, um festzustellen, wie sich dieser Unterschied im Verlauf der Schwankungen verändert hat. Es gab einen kleinen Unterschied - für eines der B0S-Mesonen traten weitere Zerfälle auf. Und zum ersten Mal für B0S-Mesonen haben wir festgestellt, dass sich der Unterschied im Zerfall oder in der Asymmetrie in Abhängigkeit von den Schwingungen zwischen dem B0S-Meson und dem Antimeson ändert.

Wir waren nicht nur ein wichtiger Meilenstein bei der Untersuchung des Unterschieds zwischen Materie und Antimaterie, sondern konnten auch die Größe von Asymmetrien messen. Dies kann in Messungen mehrerer Parameter der zugrunde liegenden Theorie übersetzt werden.

Der Vergleich der Ergebnisse mit anderen Messungen liefert eine Konsistenzprüfung, um festzustellen, ob die derzeit akzeptierte Theorie eine korrekte Beschreibung der Natur ist. Da die geringe Präferenz für Materie gegenüber Antimaterie, die wir im mikroskopischen Maßstab beobachten, die überwältigende Fülle an Materie, die wir im Universum beobachten, nicht erklären kann, ist es wahrscheinlich, dass unser derzeitiges Verständnis eine Annäherung an eine grundlegendere Theorie ist.

Die Untersuchung dieses Mechanismus, von dem wir wissen, dass er eine Asymmetrie von Materie und Antimaterie erzeugen kann, indem er aus verschiedenen Blickwinkeln untersucht wird, kann uns sagen, wo das Problem liegt. Die Welt im kleinsten Maßstab zu erkunden, ist unsere beste Chance zu verstehen, was wir im größten Maßstab sehen.

Lars Eklund, Professor für Teilchenphysik, Universität Glasgow.

Nachdruck aus dem Gespräch.