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Fermilab: Neue Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie entdeckt

Antimaterie ist eben doch nicht das perfekte Spiegelbild von Materie. Einen neuen Beweis dafür haben Physiker jetzt bei Protonen-Antiprotonen-Kollisionen entdeckt. Die Unterschiede, die sie dabei beobachtet haben, sind erstaunlich: Sie widersprechen den bisherigen Theorien der Teilchenphysik.

Beschleuniger-Experiment: Materie versus Antimaterie Fotos
Reidar Hahn

Was ist schon perfekt? Für Teilchenphysiker ist das mehr als nur eine rhetorische Frage. Kleine Abweichungen vom Ideal beschäftigen sie schon seit längerem. Sie sind sogar die entscheidende Voraussetzung dafür, dass unser Universum so aussieht, wie wir es kennen.

"Es ist Mysterium, dass unser Universum vollständig von Materie dominiert wird", sagt John Ellison, Physikprofessor an der University of California in Riverside. Beim Urknall müssten nämlich Materie und Antimaterie in gleicher Menge entstanden sein. Wo aber ist die ganze Antimaterie geblieben? Wäre sie noch da, hätte das fatale Folgen: Wenn etwa Protonen und Antiprotonen zusammentreffen, werden diese vernichtet - und gigantische Energiemengen freigesetzt.

Die Dominanz der Materie in der uns bekannten Welt erklärte Andrej Sacharow, russischer Physiker und Dissident, unter anderem mit kleinen Asymmetrien zwischen Materie und Antimaterie. Diese sollen mit dafür verantwortlich sein, dass beispielsweise die Protonen und nicht Antiprotonen die Überhand gewonnen haben. Solche Symmetrieabweichungen wurden unter anderem beim sogenannten Betazerfall beobachtet. Dabei werden aus einen Atomkern Elektronen freigesetzt, deren Spins relativ zu einem äußeren Magnetfeld überwiegend in eine Richtung zeigen - eine Überraschung für die Wissenschaftler. Sie hatten mit einer Gleichverteilung der Spins gerechnet.

Ursprünglich dachte man, dass sich physikalische Gesetze in einem System nicht ändern, wenn man zugleich alle Teilchen durch ihre Antiteilchen ersetzt, etwa Elektronen durch Positronen, und alle Raumkoordinaten spiegelt. Dies erwies sich jedoch als falsch, denn es gibt Abweichunggen davon - sogenannte CP-Verletzungen (C steht für Ladung/englisch Charge, P für Parität).

Zu viele Myonen

John Ellison hat nun bei der Auswertung von Protonen-Antiprotonen-Kollisionen eine in dieser Form bisher unbekannte CP-Verletzung entdeckt. Die Experimente wurden am Tevatron-Beschleuniger des Fermilab (in Batavia, US-Bundesstaat Illinois) durchgeführt. Beteiligt an dem Projekt mit dem Namen D0 waren insgesamt 500 Forscher, darunter viele europäische Wissenschaftler auch aus Deutschland, Frankreich und Großbritannien.

Dabei entstanden Myonen und ihre Gegenspieler, die Antimyonen. Die Elementarteilchen sind elektrisch entgegengesetzt geladen, ihre Masse ist jedoch größer als die von Elektron beziehungsweise Positron. Bei den Milliarden von Mini-Crashs ergab sich ein einprozentiger Überschuss von Myonen gegenüber den Antimyonen.

Die Ergebnisse seien "spannend", sagt Ellison. CP-Verletzungen ließen sich prinzipiell mit dem Standardmodell der Teilchenphysik erklären, dem gängigen Modell zur Beschreibung der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen. Man habe sie in der Vergangenheit schon mehrfach beobachtet. Allerdings sei die nun nachgewiesene Asymmetrie um Größenordnungen zu groß, um sie mit dem Standardmodell zu erklären.

"Das ist der erste Beweis einer anormalen CP-Verletzung", sagte Ellison. "Als wir die Ergebnisse sahen, haben viele von uns eine Gänsehaut bekommen", sagt Stefan Söldner-Rembold von der University of Manchester, einer der Sprecher des D0-Experiments. "Wir wussten, dass wir etwas völlig Neues gesehen haben, was mit den derzeitigen Theorien nicht zu erklären ist."

Die Studie über die anormalen CP-Verletzungen soll im Fachblatt "Physical Review D" publiziert werden. Die Forscher betonen, dass die Ergebnisse noch durch weitere Experimente bestätigt werden müssen. Das nun entdeckte Phänomen könnte die Wissenschaftler ihrem Ziel näher bringen, möglichst genau zu verstehen, warum im Universum die Materie über die Antimaterie dominiert.

hda

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