Warum existieren wir? Dies ist vielleicht die tiefste Frage, die völlig außerhalb des Bereichs der Teilchenphysik zu liegen scheint. Aber unser neues Experiment am Large Hadron Collider am CERN hat uns der Antwort näher gebracht. Um zu verstehen, warum wir existieren, müssen Sie vor 13,8 Milliarden Jahren, in der Zeit des Urknalls, zuerst gehen. Dieses Ereignis produzierte eine gleiche Menge der Substanz, aus der wir bestehen, und Antimaterie.
Es wird angenommen, dass jedes Teilchen einen Antimateriepartner hat, der fast identisch mit ihm ist, aber die entgegengesetzte Ladung hat. Wenn sich ein Teilchen und sein Antiteilchen treffen, vernichten sie sich - verschwinden in einem Lichtblitz.
Wo ist die ganze Antimaterie?
Warum das Universum, das wir sehen, vollständig aus Materie besteht, ist eines der größten Geheimnisse der modernen Physik. Wenn es einmal die gleiche Menge Antimaterie gäbe, würde alles im Universum vernichten. Und so scheint eine kürzlich veröffentlichte Studie eine neue Quelle der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie gefunden zu haben.
Arthur Schuster sprach 1896 als erster über Antimaterie, dann gab Paul Dirac 1928 eine theoretische Grundlage, und Karl Anderson entdeckte sie 1932 in Form von Antielektronen, die Positronen genannt werden. Positronen entstehen in natürlichen radioaktiven Prozessen wie dem Zerfall von Kalium-40. Dies bedeutet, dass eine normale Banane (die Kalium enthält) alle 75 Minuten ein Positron abgibt. Es vernichtet sich dann mit Elektronen in der Materie und erzeugt Licht. Medizinische Anwendungen wie PET-Scanner produzieren in einem ähnlichen Verfahren auch Antimaterie.
Die Hauptbausteine der Substanz, aus der Atome bestehen, sind Elementarteilchen - Quarks und Leptonen. Es gibt sechs Arten von Quarks: hoch, runter, seltsam, bezaubert, wahr und schön. Ebenso gibt es sechs Leptonen: Elektron, Myon, Tau und drei Arten von Neutrinos. Es gibt auch Antimaterialkopien dieser zwölf Teilchen, die sich nur in ihrer Ladung unterscheiden.
Antimaterieteilchen sollten im Prinzip das perfekte Spiegelbild ihrer normalen Satelliten sein. Experimente zeigen jedoch, dass dies nicht immer der Fall ist. Nehmen wir zum Beispiel Teilchen, die als Mesonen bekannt sind und aus einem Quark und einem Antiquark bestehen. Neutrale Mesonen haben eine erstaunliche Eigenschaft: Sie können sich spontan in ihr Anti-Meson verwandeln und umgekehrt. In diesem Prozess verwandelt sich ein Quark in einen Antiquark oder ein Antiquark in einen Quark. Experimente haben jedoch gezeigt, dass dies häufiger in eine Richtung als in eine andere gehen kann - wodurch im Laufe der Zeit mehr Materie als Antimaterie vorhanden ist.
Werbevideo:
Das dritte Mal ist magisch
Unter Partikeln, die Quarks enthalten, wurden solche Asymmetrien nur in seltsamen und schönen Quarks gefunden - und diese Entdeckungen wurden äußerst wichtig. Die allererste Beobachtung einer Asymmetrie mit seltsamen Teilchen im Jahr 1964 ermöglichte es den Theoretikern, die Existenz von sechs Quarks vorherzusagen - zu einer Zeit, als nur drei bekannt waren. Die Entdeckung der Asymmetrie in schönen Partikeln im Jahr 2001 war die endgültige Bestätigung des Mechanismus, der zum Sechs-Quark-Bild führte. Beide Entdeckungen wurden mit Nobelpreisen ausgezeichnet.
Sowohl seltsame als auch schöne Quarks tragen negative elektrische Ladungen. Der einzige positiv geladene Quark, der theoretisch Teilchen bilden sollte, die die Asymmetrie von Materie und Antimaterie aufweisen können, ist der bezauberte. Die Theorie besagt, dass er dies tut, seine Wirkung sollte unbedeutend und schwer zu finden sein.
Das LHCb-Experiment am Large Hadron Collider konnte jedoch erstmals eine solche Asymmetrie in Partikeln beobachten, die als D-Mesonen bezeichnet werden und aus bezauberten Quarks bestehen. Möglich wird dies durch die beispiellose Menge an verzauberten Partikeln, die direkt bei Kollisionen am LHC entstehen. Das Ergebnis zeigt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass es sich um eine statistische Schwankung handelt, 50 pro Milliarde beträgt.
Wenn diese Asymmetrie nicht aus demselben Mechanismus hervorgeht, der zu den Asymmetrien seltsamer und schöner Quarks führt, gibt es Raum für neue Asymmetriequellen von Materie-Antimaterie, die zur allgemeinen Asymmetrie derjenigen im Universum beitragen können. Und das ist wichtig, da einige bekannte Fälle von Asymmetrie nicht erklären können, warum es im Universum so viel Materie gibt. Die Entdeckung des Charm-Quarks allein reicht nicht aus, um dieses Problem zu lösen, ist jedoch ein wichtiger Teil des Puzzles für das Verständnis grundlegender Partikelwechselwirkungen.
Nächste Schritte
Dieser Entdeckung wird eine Zunahme der Anzahl theoretischer Arbeiten folgen, die bei der Interpretation des Ergebnisses helfen. Noch wichtiger ist jedoch, dass sie weitere Tests skizzieren wird, um unser Verständnis unserer Entdeckung zu vertiefen - und einige dieser Tests werden bereits durchgeführt.
In den kommenden zehn Jahren wird das verbesserte LHCb-Experiment die Empfindlichkeit solcher Messungen erhöhen. Es wird durch das Belle-II-Experiment in Japan ergänzt, das gerade erst begonnen hat.
Antimaterie ist auch das Herzstück einer Reihe anderer Experimente. Ganze Antiatome werden am Antiproton Moderator des CERN hergestellt und bieten eine Reihe hochgenauer Messexperimente. Experiment AMS-2 an Bord der Internationalen Raumstation ist auf der Suche nach Antimaterie aus dem Weltraum. Eine Reihe aktueller und zukünftiger Experimente wird sich mit der Frage befassen, ob zwischen Neutrinos eine Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie besteht.
Obwohl wir das Geheimnis der Asymmetrie von Materie und Antimaterie immer noch nicht vollständig lösen können, öffnete unsere neueste Entdeckung die Tür zu einer Ära präziser Messungen, die noch unbekannte Phänomene aufdecken können. Es gibt allen Grund zu der Annahme, dass Physiker eines Tages erklären können, warum wir überhaupt hier sind.
Ilya Khel