Der größte Teilchenbeschleuniger beobachtet ein flüchtiges Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie.

Der größte Teilchenbeschleuniger der Erde, der Large Hadron Collider ( LHC ) in der Schweiz, hat zum ersten Mal eine Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie beobachtet, die für die Existenz des Universums von grundlegender Bedeutung ist und Phänomene jenseits der bekannten Physik aufdecken könnte.

Das LHCb- Experiment hat dieses Ungleichgewicht in Baryonen beobachtet. Baryonen sind Teilchen aus drei Quarks, wie Neutronen und Protonen, die die Atomkerne bilden. Lebewesen, Planeten, Sterne und Galaxien bestehen aus dieser Materieart, die 5 % des Universums ausmacht. Diese Entdeckung ist entscheidend für die Überprüfung der Richtigkeit aktueller physikalischer Theorien und könnte den Weg zum Verständnis der restlichen 95 % des Kosmos ebnen.

Das LHCb-Experiment untersucht den Zerfall von Elementarteilchen, die nach der Kollision von Protonen entstehen, die sich im LHC mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen. Trotz der beispiellosen Leistung dieses Beschleunigers waren seit 2011 immer mehr Daten – rund 80.000 Baryonenzerfälle – nötig, um erstmals ein leichtes Ungleichgewicht zugunsten der Materie zu beobachten. Die beobachtete Asymmetrie beträgt durchschnittlich 2,45 %, überschreitet aber gelegentlich 5 %. Die Ergebnisse dieses Experiments, an dem 1.600 Wissenschaftler aus 22 Ländern beteiligt sind, werden heute in Nature , ein Maßstab für die beste Wissenschaft der Welt.

Die 34-jährige galizische Physikerin María Vieites ist stellvertretende Physikkoordinatorin am LHCb. „Unser Universum besteht aus Materie, und das Standardmodell erklärt nicht vollständig, warum“, erklärt sie mit Blick auf die aktuelle Theorie der Teilchenphysik. Das Problem ist, dass dieses Modell weder die dunkle Materie beschreibt, die etwa 27 % des Universums ausmacht, noch die dunkle Energie, die 68 % ausmacht.

„Wir brauchen neue Quellen für das Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie, und mit dieser Studie beobachten wir diese Unterschiede in einem neuen Bereich, nämlich in der Art konventioneller Materie, die eher derjenigen ähnelt, aus der Atomkerne bestehen“, betont die Forscherin vom Galizischen Institut für Hochenergiephysik . „Diese Ergebnisse waren mit viel Arbeit verbunden, da es sich um sehr, sehr seltene Prozesse handelt“, fügt sie hinzu. Die LHCb-Mitarbeiter haben Billionen von Kollisionen zwischen Protonen analysiert und die Zerfälle von Lambda-b-Baryonen isoliert, die für diese Messungen vielversprechend sind, erklärt Vieites. „Im Moment sind die Daten wahrscheinlich mit dem Standardmodell kompatibel“, räumt die Wissenschaftlerin ein, „aber letztendlich wissen wir, dass es unvollständig ist und irgendwann versagen muss.“

Teilchenphysiker glauben gerne, dass die Natur Symmetrie respektiert, doch wäre das der Fall, würde das Universum nicht existieren. Die Urknalltheorie besagt, dass das Universum vor 13,7 Milliarden Jahren mit einer identischen Menge an Materie und Antimaterie entstand. Diese Teilchen sind symmetrisch, wie ein reales Objekt und sein Spiegelbild, aber entgegengesetzt geladen, sodass sie sich in einem gewaltigen Lichtblitz gegenseitig zersetzt hätten. Der heutige Kosmos besteht jedoch fast ausschließlich aus baryonischer Materie, dem Stoff, aus dem Atome bestehen, und kaum Antimaterie.

Der erste direkte Beweis für Asymmetrie wurde 1964 – auf dem Höhepunkt des Kalten Krieges – am damals größten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Brookhaven National Laboratory in den USA, beobachtet. Die Anlage war nach den immensen Investitionen in das Manhattan-Projekt , das mit den Atombombenabwürfen auf Hiroshima und Nagasaki endete, zur Erforschung der Teilchenphysik errichtet worden. Damals wurde die Diskrepanz bei einem Teilchentyp namens Meson entdeckt, der aus einem Quark und einem Antiquark besteht.

Drei Jahre später entwickelte der russische Physiker Andrei Sacharow , der für die Sowjetunion die stärksten jemals auf der Erde gezündeten Atombomben entwickelte – und später für seine Warnung vor dem schrecklichen Potenzial solcher Waffen den Friedensnobelpreis erhielt –, eine Schlüsseltheorie. Er vertrat die Ansicht, dass die Asymmetrie der Baryonen für die Entstehung eines Universums voller Materie verantwortlich sei. Seiner Theorie zufolge trat Bruchteile von Sekunden nach dem Urknall ein als Verletzung der Ladungs-Paritäts-Symmetrie bekanntes Phänomen zwischen Materie und Antimaterie auf. Auf eine Milliarde Antimaterieteilchen kämen eine Milliarde und ein Materieteilchen. Aus diesem winzigen Ungleichgewicht wäre das gesamte beobachtbare Universum entstanden, in dem die Materie ihr Gegenteil dominiert. Seit Sacharow diese Vorhersage vor fast 60 Jahren machte, wurde sie nie bestätigt.

„Dies ist das erste Mal, dass dieses Phänomen bei diesen Teilchen beobachtet wurde, und daher ist es wichtig“, argumentiert der theoretische Physiker Juan Antonio Aguilar . „Theoretisch ist es möglich, dass es sich bei dem, was wir beobachtet haben, um neue Physik handelt [Phänomene jenseits des Standardmodells], aber derzeit lässt sich dies nicht beweisen, da die Berechnungen zu komplex sind“, fügt der Forscher vom Institut für Theoretische Physik (UAM-CSIC) in Madrid hinzu.

Die vom Standardmodell vorhergesagte Diskrepanz zwischen Materie und Antimaterie ist viel kleiner als die im Universum beobachtete. Dies impliziert, dass es mehrere Quellen der Asymmetrie geben muss. Ein möglicher Mechanismus ist die Existenz unbekannter Teilchen, die das Überwiegen der Materie gegenüber der Antimaterie verstärken. Zu diesen Teilchen könnte auch Dunkle Materie gehören. Die Bewegung von Sternen und Galaxien im Universum hat die Existenz dieser Substanz durch ihre Gravitationskraft eindeutig bewiesen. Die Teilchen, aus denen sie besteht, wurden jedoch nie erzeugt, möglicherweise aufgrund ihrer schwachen Wechselwirkung mit konventioneller Materie. Die Suche nach Dunkler Materie ist das Hauptziel des LHC , der in Kürze eine Neukonstruktionsphase beginnt, um die Zahl der Protonenkollisionen zu erhöhen, was schließlich zur Entdeckung unbekannter Teilchen führen könnte.