Warum ist das Universum asymmetrisch?

US-amerikanische Physiker haben in einem groß angelegten Experiment am Fermi-Laboratorium bei Chicago europäische Forschungen über eine fundamentale Verletzung der Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie bestätigt. Diese sogenannte "direkte CP-Verletzung" kommt in der Theorie der Elementarteilchen, wie die Versuche zeigen, ohne die Einführung einer fünften - superschwachen - Kraft aus. Wie der Physiker Konrad Kleinknecht von der Universität Mainz, einer der Leiter der europäischen Arbeitsgruppe, die die Symmetrieverletzung zuerst beobachtete, betont, hat diese Entdeckung "wichtige Konsequenzen für unsere Vorstellung von der Entstehung der Welt".

Auf der DPG-Tagung wurde das Programm der Sitzung des Fachverbandes Elementarteilchenphysik am Freitag, 19.03.99, eigens umgestellt. Neben dem Sprecher des europäischen Experiments, Dr. Heinrich Wahl (CERN, Genf), wird ein Sprecher der kTeV-Kollaboration, Dr. Y. Pang vom Fermilab bei Chicago/Ill., dieses erst vor wenigen Tagen freigegebene Resultat in Heidelberg vortragen.

Die "direkte CP-Verletzung" war erstmalig 1988 von einer europäischen Gruppe von Physikern aus Edinburgh, Genf, Mainz, Orsay, Pisa und Siegen im CERN-Laboratorium in Genf beobachtet worden, konnte aber zunächst in den USA nicht bestätigt werden. Erst jetzt, mit einem vielfach verbesserten Experiment, wurde auch in den USA ein sehr genaues Ergebnis erzielt, das mit dem europäischen Experiment voll übereinstimmt.
Dieses Ergebnis hat wichtige Konsequenzen für unsere Vorstellung von der Entstehung der Welt. Wenn alle Kräfte im Universum auf Materie und Antimaterie gleich ("symmetrisch") einwirken würden, wäre beim Urknall gleich viel Materie und Antimaterie aus Licht entstanden. Die Antimaterie ist aber im Universum nicht mehr vorhanden. Sie wurde durch Zusammenstöße mit Materie vernichtet. Gleichwohl blieb ein kleiner Rest von Materie, etwa ein Millardstel der ursprünglich erzeugten, der unser heutiges Universum bildet, übrig. Dies war nur möglich durch eine Verletzung der Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie.

Eine solche Symmetrieverletzung hatten 1964 Val Fitch und James Cronin bei Zerfällen einer Sorte von Elementarteilchen (den neutralen K-Mesonen) beobachtet. Wenn diese K-Mesonen in ihre Bestandteile zerfallen, unterscheidet sich das Ergebnis für Teilchen und Antiteilchen. Fitch und Cronin erhielten dafür den Nobelpreis 1980. Es war aber unklar geblieben, ob dieser Effekt durch eine der bekannten vier Naturkräfte erklärt werden konnte, oder ob dazu eine neue sehr schwache Kraft ("superschwache Kraft") notwendig war, wie sie von Lincoln Wolfenstein theoretisch postuliert wurde. Um diese Frage zu klären, baute die europäische Gruppe 1984-88 ihr Experiment am CERN auf, das 1988 zu dem positiven Ergebnis führte: das Experiment schloß die superschwache Wechselwirkung aus, war aber erklärbar im Rahmen der schwachen Kraft, die seit langem aus radioaktiven Zerfällen bekannt ist.

Das Ergebnis wurde aber in Frage gestellt, als ein Experiment im amerikanischen Fermi-Laboratorium 1990 die direkte CP-Verletzung nicht bestätigen konnte. Deshalb haben beide Forschungsgruppen in den Jahren 1993 bis 1996 neue, vielfach verbesserte Experimente aufgebaut, die nun erste Resultate liefern. Das Ergebnis ist eindeutig: die Messung der europäischen Gruppe 1988 war richtig, sie ist jetzt durch die konkurrierende amerikanische Gruppe bestätigt worden. Deshalb kann nun mit Sicherheit die postulierte superschwache Kraft ausgeschlossen werden.

Dagegen ist es möglich, die Ergebnisse im Rahmen der schwachen Kraft zwischen den elementaren Bausteinen der Materie, den Quarks zu deuten. Solch eine theoretische Beschreibung wurde 1973 von den japanischen Theoretikern M. Kobayashi und T. Maskawa vorgeschlagen. Allerdings kann diese Erklärung nur dann richtig sein, wenn außer den stabilen Quarks, aus denen unsere stabile Materie besteht, weitere schwere und instabile Quarksorten zur Zeit des Urknalls erzeugt wurden. Diese Quarksorten sind alle in den letzten 20 Jahren in Laborexperimenten gefunden worden: der Kreis schließt sich zu einem faszinierenden Bild der Weltentstehung.

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