Warum gab es im Universum mehr Materie als Antimaterie? Neutrinos könnten uns die Antwort geben

Das Universum ist mit Materie gefüllt, und wir wissen nicht warum. Wir wissen, wie Materie entstanden ist und können sogar im Labor Materie herstellen, aber es gibt einen Haken. Jedes Mal, wenn wir in Teilchenbeschleunigern Materie erzeugen, erhalten wir die gleiche Menge Antimaterie. Für das Labor ist das völlig in Ordnung, aber wenn der Urknall gleiche Mengen an Materie und Antimaterie erzeugt hätte, hätten sich die beiden schon früh gegenseitig zerstört und ein kosmisches Meer aus Photonen und Materie hinterlassen. Wenn Sie dies lesen, ist das eindeutig nicht passiert.

Es bleibt eines der größten Mysterien der Kosmologie, und in der Physik läuft alles auf die Symmetrie hinaus. Ein Großteil der Physik basiert auf den Prinzipien der Erhaltung und der Symmetrie. Der Raum scheint in alle Richtungen gleich zu sein, und so bleibt der Impuls erhalten. Das heißt, wenn Sie einen Ball in den leeren Raum werfen, wird er seine Bewegung auf unbestimmte Zeit fortsetzen. Zeitsymmetrie bedeutet, dass Masse-Energie erhalten bleibt und so weiter. Der Zusammenhang zwischen Symmetrie und Erhaltung wurde erstmals von Emmy Noether entdeckt und ist heute als Noether-Theorem bekannt.

Beispiele für Symmetrie in der Physik. Credit: Flip Tanedo

Da Symmetrie für die Physik von grundlegender Bedeutung ist, wurde viel geforscht, wie und wann Symmetrie gebrochen werden kann. Dies gilt insbesondere für die Teilchenphysik. Da Teilchen zum ersten Mal in der Frühzeit des Universums geschaffen wurden, hilft uns dies auch zu verstehen, wie das Universum entstanden ist. In der Kosmologie ist einer der Großen CP-Symmetrie.

CP steht für Charge-Parity und repräsentiert eine Kombination zweier Symmetrien. Ladungssymmetrie bedeutet, dass sich ein Universum, das vollständig aus Materie besteht, und eines aus Antimaterie gleich verhalten sollten. Das heißt, sie sollten symmetrisch sein. Die Parität kann als Spiegelbild beschrieben werden. Wenn Sie Ihre rechte Hand halten, während Sie in einen Spiegel schauen, wird Ihr Bild die linke Hand halten. Paritätssymmetrie bedeutet, dass sich nichts ändern sollte, wenn im Universum links und rechts gespiegelt würde.

Wenn die CP-Symmetrie immer bestehen würde, könnte unser Materieuniversum nicht existieren. Aber wir wissen, dass die CP-Symmetrie manchmal verletzt wird. Zum Beispiel wurde 1964 festgestellt, dass ein neutrales Teilchen, das als Kaon bekannt ist, in zwei Typen vorkommt, die CP-Duale voneinander waren. Wenn die CP-Symmetrie erhalten wäre, sollten diese beiden Arten von Kaonen mit der gleichen Geschwindigkeit zerfallen. Wir fanden heraus, dass die beiden Kaon-Typen mit leicht unterschiedlichen Geschwindigkeiten zerfallen. Der Unterschied zwischen den beiden beträgt nur etwa 3 von 1000, aber er ist nicht Null.

Ein Kaon zerfällt in ein Pion und Licht. Bildnachweis: K. Tobioka/Florida State University

Es gibt auch andere bekannte Beispiele, aber das Problem ist, dass selbst wenn Sie sie alle kombinieren, dies nicht ausreicht, um ein Universum aus ausschließlich Materie zu erklären. Zumindest muss es eine andere Möglichkeit geben, die CP-Symmetrie zu verletzen. Basierend auf neuen Forschungsergebnissen, die in . veröffentlicht wurdenNatur, könnte die Antwort Neutrinos sein.

Neutrinos haben keine elektrische Ladung, aber sie treten sowohl in Materie- als auch in Antimaterie-Form auf, sodass für sie immer noch CP-Symmetrie gilt. Das Problem ist, dass sie notorisch schwer zu erkennen sind. Auch wenn Sie sie nicht erkennen können, ist es schwierig, Neutrinos von Antineutrinos zu unterscheiden.

In dieser jüngsten Arbeit feuerte die T2K-Kollaboration Neutrinosstrahlen in einen Detektor. T2K steht für T?kai to Kamioka, da sich der Teilchenbeschleuniger im japanischen Dorf T?kai und der Neutrinodetektor in Kamioka befindet. Da das Team den Neutrinostrahl kontrollierte, konnten sie feststellen, ob sie Neutrinos oder Antineutrinos entdeckten. Beim Sammeln von Daten über ein Jahrzehnt fanden sie eine CP-Verletzung in einem Effekt, der als Neutrino-Oszillation bekannt ist.

Materie-Neutrinos treten häufiger auf als Antimaterie-Neutrinos. Bildnachweis: T2K-Kollaboration

Neutrinos haben seltsame Eigenschaften, und eine der seltsamsten ist die Schwingung. Es stellt sich heraus, dass Neutrinos gibt es in drei arten oderAromen, und ein Neutrino kann zwischen jedem Typ hin und her schwingen. Gemäß der CP-Symmetrie sollten sowohl Neutrinos als auch Antineutrinos mit der gleichen Geschwindigkeit schwingen. Das T2K-Team stellte jedoch fest, dass sie mit unterschiedlichen Frequenzen oszillieren. Ihre Raten sind so unterschiedlich, dass sie fast maximal asymmetrisch sind. Infolgedessen sehen Sie eher Materieneutrinos als Antimaterie-Neutrinos.

Dies könnte die Antwort auf das Materieuniversum sein, nach der wir gesucht haben, aber wir sollten vorsichtig sein. Bisher sind die Beweise für die Neutrino-Asymmetrie schwach. Selbst die Autoren geben zu, dass ihre Ergebnisse nicht stark genug sind, um schlüssig zu sein. Aber sie sind sehr interessant. Wir werden viel mehr Daten benötigen, um das Ergebnis zu überprüfen, aber es ist ein wichtiger Schritt, um zu verstehen, wie wir überhaupt hierher gekommen sind.

Referenz: Kitahara, Teppei, et al.“ Neue physikalische Implikationen der jüngsten Suche nach K L? ?₀? ? bei KOTO . '

Referenz: T2K-Kollaboration. “ Einschränkung der Materie-Antimaterie-Symmetrie-verletzenden Phase in Neutrino-Oszillationen . '