Zerbrochener Spiegel

Warum gibt es im Universum keine Antimaterie?

Von Manfred Lindinger
23.04.2020
, 14:34
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.

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.

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.

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.

Seit Beginn der offiziellen Messungen vor acht Jahren haben die Forscher insgesamt 105 Ereignisse registriert. Sie stammen allesamt von Myon-Neutrinos, die sich auf ihrem Flug von der Quelle zum Detektor in Elektronen-Neutrinos umgewandelt haben. Bei der Analyse der Daten haben die Forscher nun eine markante Asymmetrie festgestellt. Während die Zahl der nachgewiesenen Elektron-Neutrinos höher ist als die theoretischen Erwartung (90 Ereignisse statt maximal 82 zu erwartende), ist die Zahl der registrierten Anti-Elektronen-Neutrinos zu niedrig. Statt wie zu erwarten zwischen 17 und 22, haben nur 15 Antiteilchen Spuren im Detektor hinterlassen. Das Ergebnis zeige, so die Forscher, dass sich Myon-Neutrinos mit höherer Wahrscheinlichkeit umwandeln, als es ihre Antiteilchen tun. Ohne Symmetrieverletzung wäre kein Unterschied aufgetreten.

Als Signifikanz der Messungen geben die Wissenschaftler Forscher drei Sigma an. Das entspricht einer Wahrscheinlichkeit von 99,7 Prozent, dass die Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie bei Neutrinos verletzt ist. Das ist allerdings noch nicht ausreichend, um von einer echten Entdeckung sprechen zu können. Dies verlangt eine Signifikanz von fünf Sigma oder einer Wahrscheinlichkeit von 99,9999 Prozent. Viele Neutrinoforscher werten den Befund aber schon jetzt als klares Indiz dafür, dass bei der Neutrino-Oszillation die CP-Symmetrie verletzt ist.

Zeugnis der Prozesse im jungen Kosmos

„Um ganz sicher zu sein, braucht es aber mehr Statistik“, sagt Christian Weinheimer von der Universität Münster. Weinheimer versucht mit seinen Kollegen am KIT in Karlsruhe, die Masse des Elektron-Neutrinos sehr präzise zu messen. Sie ist kleiner ist als ein Elektronenvolt (eV), wie Messungen aus dem vergangenen Jahr zeigen. Ein Elektron, das leichteste unter den geladenen Leptonen, ist mit 511

000 eV dagegen ein Schwergewicht.

Weltweit sind Experimente in Vorbereitung, die intensivere Neutrinostrahlen erzeugen und auf größere Detektoren lenken. Doch bis diese ihren Messbetrieb aufnehmen können, werden noch einige Jahre vergehen. Inzwischen werden die Forscher des T2K-Experiments weiter messen und mehr Daten sammeln. Weinheimer ist optimistisch, dass sich der Befund aus Japan bestätigen wird. „Die CP-Verletzung der Neutrinos ist ein wichtiger Mechanismus, um das Übergewicht der Materie im frühen Universum zu erklären zu können.“

Theoretiker vermuten, dass Neutrinos die eigentlichen Geburtshelfer der baryonischen Materie sein könnten. Diese Rolle käme im jungen Kosmos hypothetischen schweren Neutrinos, sogenannten sterilen Neutrinos, und deren Spiegelbildern zu. Aufgrund der CP-Verletzung der damals wirkenden elektroschwachen Kraft wären diese schnell zerfallen, wobei mehr Teilchen als Antiteilchen übrig blieben. Über einen komplizierten Prozess, die sogenannte Leptogenese, könnte sich die CP-Verletzung der sterilen Neutrinos schließlich auf Quarks und Antiquarks übertragen und für ein Übergewicht der baryonischen Materie gesorgt haben. Zwar fehlt von den sterilen Neutrinos, die als ein Kandidat für die rätselhafte Dunkle Materie gehandelt werden, heute jede Spur. Doch ihnen wird zugeschrieben, dass die drei Neutrino-Sorten, wie sie sich heute präsentieren, eine geringe Masse besitzen und deshalb oszillieren können. Die CP-Verletzung der Neutrino-Oszillation wäre damit gewissermaßen ein Zeugnis der Vorgänge im frühen Kosmos.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
  Zur Startseite
Verlagsangebot
Verlagsangebot