Was Materie von Antimaterie unterscheidet

• Warum nicht alles Gammastrahlung ist
• Materie und Antimaterie: Physiker finden neuen Unterschied
• Bahnbrechende Erkenntnis hilft den Kosmos verstehen

Einen neuen Unterschied im Verhalten von Materie und Antimaterie haben Wissenschaftler der Gruppe „BABAR“ nun am Stanford Linear Beschleuniger (SLAC) in einer bahnbrechenden Messung entdeckt: Unter Beteiligung von Prof. Dr. Helmut Koch, Dr. Marcel Kunze und Dr. Klaus Peters (Fakultät für Physik und Astronomie der RUB) wiesen sie die so genannte „CP-Verletzung“ beim Zerfall von B-Mesonen – schweren, kurzlebigen Elementarteilchen – nach. Das Phänomen ist wahrscheinlich verantwortlich dafür, dass es im Universum einen Überschuss der Materie gegenüber der Antimaterie gibt.

Gespiegelte Teilchen löschen sich aus

Antimaterie kommt in unserer Welt gewöhnlich nicht vor, da sich Materie und Antimaterie bei der Berührung gegenseitig vernichten: Wenn sie zusammenkommen, zerstrahlen sie zu Gammastrahlung. Antiwasserstoff ist z. B. das ,,Spiegelbild“ des Wasserstoffatoms. Das spiegelbildliche Atom besteht aus Antimaterie – einem positiv geladenen ,,Elektron“ (dem Positron), das einen negativ geladenen Atomkern (ein Antiproton) umkreist. An Beschleuniger-Anlagen können Wissenschaftler Antimaterie künstlich erzeugen.

Bahnbrechender Erfolg nach 37 Jahren Suche

Wäre im All gleich viel Materie und Antimaterie vorhanden, würden sie sich gegenseitig auslöschen. Es besteht also ein Materie-Überschuss, dem wir unser Dasein erst verdanken. Einen Grund für diese Asymmetrie fanden Wissenschaftler (Fitch und Cronin) erstmals 1964 und wurden dafür mit dem Nobelpreis belohnt. Sie beobachteten an neutralen K-Mesonen, leichten, langlebigen Elementarteilchen, die CP-Verletzung: einen Unterschied im Verhalten von Materie- und Antimaterie-Teilchen beim Zerfall. Seitdem suchten Physiker weltweit nach weiteren Beispielen für die CP-Verletzung – bis jetzt: „Nach 37 Jahren der Suche wissen die Physiker nun, dass es mindestens zwei Sorten von Elementarteilchen gibt, die dieses erstaunliche Phänomen zeigen“, erläutert S. Smith (Princeton Universität), Sprecher der Forscherkollaboration „BABAR“.

Aus der B-Mesonen-Fabrik in den Detektor

Die Gruppe entwickelte einen leistungsfähigen Detektor, der kleine Unterschiede bei speziellen Zerfällen von B-Mesonen bzw. ihren Antiteilchen messen kann. Seit etwa zwei Jahren sammelt der Detektor Daten. Unverzichtbar für die Experimente war auch ein 2,2 Kilometer langer Elektronen/Positronen-Speicherring, eine „B-Mesonen-Fabrik“. Er erlaubt es, Elektronen- und Positronenstrahlen hoher Energie auf kleinstem Raum kollidieren zu lassen.

Messung bestätigt Modell

In ihrem jetzt zur Veröffentlichung in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ eingereichten Beitrag benennen die Forscher den Wert der Asymmetrie mit sin2b = 0,59 ± 0,14, der sich signifikant von Null unterscheidet. Die Wahrscheinlichkeit, dass der Unterschied doch gleich Null ist, liegt bei 1:30.000. Der gefundene Wert bestätigt Vorhersagen des so genannten Standardmodells, das somit seine Gültigkeit behält.

Dank gilt dem ganzen Team

Neu für amerikanische Verhältnisse war die starke Beteiligung nichtamerikanischer Gruppen. Aus Deutschland beteiligten sich Universitätsgruppen aus Bochum, Dresden und Rostock sowohl am Aufbau der Experimente als auch am Betrieb und der Datenauswertung. Die Finanzierung erfolgte überwiegend durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). „Ein großer Teil der Forschung geht auf das Konto von Diplomanden und Doktoranden“, betont Dr. Klaus Peters, „und für die maßgebliche technische Unterstützung beim Aufbau der einzelnen Komponenten und Testsysteme danken wir den hervorragenden Werkstätten des Instituts für Experimentalphysik.“

Weitere Informationen

Dr. Klaus Peters, Fakultät für Physik und Astronomie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-23532, Fax: 0234/32-14170, Email: klaus@ep1.ruhr-uni-bochum.de