Materie und Antimaterie

Das europäische Kernforschungszentrum CERN will die Antwort auf die CP-Verletzung, eines der subtilsten Geheimnisse der Natur, gefunden haben

Am europäischen Kernforschungszentrum CERN konnten Wissenschaftler definitiv nachweisen, dass die CP-Verletzung (Charge Parity) existiert. In einem Experiment wurde präzise der genaue Umfang des Phänomens gemessen. Das Experiment NA48 findet am Europäischen Teilchenbeschleuniger in Genf statt und hat sich die genaue Messung der so genannten direkten CP-Verletzung, und damit die Erforschung der Antimaterie zum Ziel gesetzt.

Im Anfang war Materie und Anti-Materie, der Urknall brachte sie in gleicher Zahl hervor. Es gab genauso viel Materie-Teilchen wie Antimaterie-Teilchen und wenn sie sich berührten, wurden sie augenblicklich zu reiner Energie. Aber das Universum wurde nicht wieder vollständig zu Energie, die Materie setzte sich durch, Galaxien und Sternensysteme entstanden. Obwohl jedes Elementarteilchen eigentlich einen Zwilling mit entgegengesetzter Ladung hat, das positiv geladene Proton den negativen Antiproton, das negativ geladene Elektron den Positron, ist heute im Universum keine Antimaterie mehr vorhanden. Nur in den Teilchenbeschleunigern der Physiker wie im CERN werden Antiteilchen erschaffen, um sie zu erforschen (Auf der Spur der Antimaterie).

Die meiste Materie, die während des Urknalls explodierte, kollidierte mit Antimaterie und wurde zu Energie, aber ein Teil blieb und formte das, was wir heute Universum nennen. Es muss also im Anfang eine Asymmetrie gegeben haben. Ein subtiles Phänomen, das die Materie über die Antimaterie triumphieren ließ. Dieser bisher geheimnisvolle Effekt ist die CP-Verletzung. CP steht für Charge Parity, also Ladungskonjugation und Parität. Die Ladung (Charge) von Teilchen und Antiteilchen ist gegensätzlich, aber gleich groß. Parität steht für die Spiegelsymmetrie, d.h. ein Prozess und sein Spiegelbild sind gleich wahrscheinlich. Während C und P für sich keine universell gültigen Symmetrien darstellen, schien die Kombination CP zu funktionieren. Lange wurde davon ausgegangen, CP sei eine von allen Wechselwirkungen respektierte Symmetrie, aber das erwies sich als Trugschluss.

In der Physik sind Symmetrien gegenüber Verschiebungen in Raum und Zeit, Drehungen, Spiegelungen oder gegenüber Geschwindigkeitsänderungen für die fundamentalen Naturgesetze besonders wichtig. 1964 entdeckten aber die amerikanischen Physiker Christenson, Cronin, Fitch und Turlay an einem Beschleuniger eine winzige Unregelmäßigkeit beim Zerfall eines exotischen instabilen Teilchens, des K-Mesons. Teilchen und Antiteilchen zerfielen nicht in identischer Weise, sondern auf messbar unterschiedliche Art. Materie und Antimaterie verhielten sich nicht symmetrisch. K-Mesonen (Kaonen) sind eine instabile Mischung aus Materie und Antimaterie, sie existieren nur in Neutronensternen und in Teilchenbeschleunigern.

Darauf folgende Experimente zeigten: Beim Zerfall von neutralen K-Mesonen kommt es in etwa einem Promille aller Fälle zu einer Verletzung der CP-Symmetrie. Die CP-Verletzung wird von den meisten Physikern als schwache Wechselwirkung gedeutet.

Nach 10 Jahren, in denen die Detektoren entwickelt, Daten gesammelt und analysiert wurden, ist das Experiment NA48 am CERN nun so weit, die Resultate der Beobachtung von 20 Millionen CP-Verletzungen bei Zerfall von neutralen K-Mesonen bekannt zu geben. Der feine Unterschied in der Zerfallsrate der Keonen und ihrer Antiteilchen konnte mit einer Genauigkeit von eins zu einer Million festgestellt werden.

Vorgänger-Experimente wie die NA31-Versuche am CERN und ähnliche am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in den USA waren nicht präzise genug gewesen, um die CP-Verletzung als realen Effekt nachweisen zu können. Das leistet jetzt die umfangreiche Datensammlung von NA48.

Die Natur ist – warum auch immer – so genannt schwach linkshändig und begünstigt Materie vor Antimaterie. Durch die schwache Symmetrie-Verletzung wurde die Materie bevorzugt und Masse konnte sich zusammenballen, um nach dem Big-Bang aus Nebeln schließlich Sterne und Planeten entstehen lassen zu können. Auch unsere Sonne, die Erde und nicht zuletzt wir selbst verdanken der CP-Verletzung die Existenz, denn sie bewirkt die Dominanz der Materie gegenüber der Antimaterie.