Schicksal der Antimaterie in unserem Universum

Mainzer Physiker leisten Beitrag zur Messung von Teilchen-Antiteilchen-Oszillationen

Eines der großen Geheimnisse unseres Universums ist die Existenz von Materie und die offensichtliche Abwesenheit von Antimaterie. Zum Zeitpunkt des Urknalls sollten beide in gleichen Mengen entstanden sein. Wenn Materie und Antimaterie in Kontakt kommen, vernichten sie sich in reine Energie. Dies ist (zum Glück) nicht vollständig geschehen.

Das Fehlen von Antimaterie kann qualitativ durch die Verletzung einer fundamentalen Symmetrie in der schwachen Wechselwirkung erklärt werden. Die Eigenschaften der schwachen Wechselwirkung, die zum Beispiel für die natürliche Radioaktivität verantwortlich ist, erlauben nämlich den periodischen Übergang eines neutralen Teilchens in sein Antiteilchen und zurück. Dieser Übergang wurde für Bd-Mesonen (subatomare Teilchen, die ein b-Quark enthalten) erstmals in den 80er-Jahren beobachtet. Bisher konnte diese so genannte Oszillation noch nicht für die etwas schwereren Bs-Mesonen direkt nachgewiesen werden.

Kürzlich konnte mit dem D0-Experiment erstmals ein direkter experimenteller Hinweis auf die Oszillation von Bs-Mesonen erzielt werden. D0 ist eines von zwei Experimenten am Tevatron-Beschleuniger des Fermi-National-Accelerator-Laboratory (FNAL) bei Chicago, USA, wo Bs-Mesonen in Proton-Antiproton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 1.96 TeV erzeugt werden. Das D0-Experiment mit Ausmaßen von 20 mal 12 mal 12 Metern - der Größe eines vierstöckigen Mehrfamilienhauses - ist eine internationale Kollaboration von rund 700 Wissenschaftlern aus 20 Ländern. Die Arbeitsgruppe von Univ.-Prof. Dr. Stefan Tapprogge aus dem Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität ist seit mehreren Jahren an diesem Experiment beteiligt und hat entscheidende Beiträge zu dieser Messung der Eigenschaften des Bs-Mesons geliefert (Mitarbeiter: Dipl.-Phys. C. Ay, Cand. Phys. C. Bernius, Dr. T. Kuhl, Dr. T. Trefzger, Dipl.-Phys. G. Weber).

Die besondere Herausforderung liegt hierbei an der deutlich schnelleren Oszillation im Vergleich zu Bd-Mesonen. Die jetzt vorhandenen Daten weisen auf eine um einen Faktor 40 höhere Oszillationsgeschwindigkeit bei Bs-Mesonen hin. Das Ergebnis wurde zur Veröffent-lichung bei der Zeitschrift „Physical Review Letters“ eingereicht. Vorabdruck: hep-ex/0603029. Die Oszillationsgeschwindigkeit beträgt, wie D0 herausgefunden hat, etwa 19 Billionen Mal pro Sekunde. Eine Umwandlung von Teilchen zu Antiteilchen geschieht auf einer Flugstrecke von weniger als einem Millimeter. Eine genauere Vermessung dieser Frequenz und weiterer Eigenschaften von Bs-Mesonen kann in Zukunft zu einem besseren Verständnis des Mysteriums der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im Universum beitragen und möglicherweise auch Hinweise auf neue, bisher nicht gesehene Physikprozesse liefern.