Antimaterie: Erste Indizien für Asymmetrie

Endlich: Forscher am CERN könnten erstmals einer Symmetrieverletzung zwischen Materie und Antimaterie auf der Spur sein. Beim Zerfall eines Baryons – eines wie das Proton aus drei Quarks bestehenden Teilchens – stellten sie Unterschiede von bis zu 20 Prozent zwischen dem Teilchen und seinem Antiteilchen fest. Wie sie im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten, liegt die Signifikanz allerdings noch unter den für eine Entdeckung benötigten fünf Sigma.

Schon seit Jahrzehnten fahnden Physiker nach einer Symmetrieverletzung – Unterschieden zwischen Materie und Antimaterie, die erklären könnten, warum heute im Universum die Materie dominiert. Bisher allerdings mit wenig Erfolg. Denn Magnetverhalten, Masse-Ladungs-Verhältnis und starke Kernkraft scheinen übereinzustimmen und beim Anti-Wasserstoff stimmen auch Ladung und Spektrum mit seinem Materie-Gegenpart überein, wie Experimente belegen.

Spiegelbild mit kleinen Fehlern?

Eine weitere Möglichkeit der Asymmetrie könnte eine Verletzung der CP-Invarianz sein. Diese besagt, dass ein Antiteilchen zwar ein umgekehrtes Ladungsvorzeichen trägt und in seiner räumlichen Ausrichtung gespiegelt ist, sich aber sonst nicht im Verhalten unterscheidet. Die physikalischen Gesetze der „Spiegelwelt“ müssen denen unserer normalen Materiewelt vollkommen entsprechen.

Verhält sich ein Antiteilchen unter bestimmten Umständen doch anders als sein normaler Gegenpart, wäre dies eine Verletzung dieser CP-Symmetrie – und ein möglicher Grund für die heutige Übermacht der Materie. Bisher jedoch ist es Physiker nie gelungen, eine solche CP-Verletzung bei den Baryonen nachzuweisen – den Teilchen, die wie das Proton aus drei Quarks bestehen und die Grundbausteine der Materie bilden.

Der Detektor LHCb am Large Hadron Collider und die Physiker der LHCb-Kollaboration © CERN/ LHCb Collaboration

6.000 Zerfälle analysiert

Jetzt aber könnten Physiker am Teilchenbeschleuniger LHC des CERN erstmals Hinweise auf eine CP-Verletzung bei Baryonen entdeckt haben. Grundlage dafür bilden drei Jahre an Kollisionsdaten, die der Detektor LHCb in der ersten Laufzeit des Beschleunigers gesammelt hat. Für ihre Studie analysierten die Wissenschaftler besonders seltene Teilchenzerfälle des sogenannten Lambda b0-Baryons (Λb0) und seines Antimaterie-Gegenstücks.

Das kurzlebige Λb0-Baryon besteht wie das Proton aus drei Quarks, ist aber sechs Mal schwerer. Bei Kollisionen im Teilchenbeschleuniger können diese Teilchen entstehen und unter bestimmten Umständen zu einem Proton (oder Antiproton) und drei Pionen zerfallen. Im LHC gelang es erstmals, diesen raren Zerfallsweg zu detektieren – 6.000 Mal in den rund drei Jahren Laufzeit.

Abweichungen in den Winkeln beim Zerfall von Λb0-Baryonen und Λb0-Antibaryonen © LHCb-Kollaboration

Abweichung im Zerfallswinkel

Als die Physiker der LHCb-Kollaboration diese Zerfälle auswerteten, stießen sie auf einen auffallenden Unterschied: Die Winkel, in denen die Zerfallsprodukte auseinanderschossen, waren beim Λb0-Baryon und dem Λb0-Antibaryon nicht gleich. Sie unterschieden sich um bis zu 20 Prozent. „Dies ist der erste Hinweis auf eine CP-Verletzung bei Baryonen“, konstatieren die Forscher.

Allerdings: Bisher ist diese Abweichung zwar auffallend, aber die statistische Signifikanz reicht noch nicht ganz aus, um offiziell von einer Entdeckung zu sprechen. In der Teilchenphysik gilt etwas erst dann als entdeckt, wenn die Signifikanz fünf Sigma erreicht – sich also um fünf Standardabweichungen vom Zufall entfernt. Für die Zerfallsunterschiede bei den Λb0-Baryon liegt die Signifikanz jedoch erst bei 3,3 Sigma, wie die Physiker berichten.

„Auch wenn wir daher noch nicht von einer Entdeckung sprechen können, handelt es sich hier um ein sehr vielversprechendes experimentelles Indiz“, sagt Marcin Kucharczyk von der LHCb-Kollaboration. „Wir müssen nun auf die endgültige Bestätigung oder Widerlegung warten. Die in ein paar Monate abgeschlossene Auswertung der Daten von der zweiten Laufzeit des LHC wird dies hoffentlich liefern.“ (Nature Physics, 2017; doi: 10.1038/nphys4021)

(CERN / Henryk Niewodniczanski Institute of Nuclear Physics, 24.02.2017 – NPO)