Schicksal der Antimaterie in unserem Universum

10. April 2006

 

Unter Beteiligung von Mainzer Physikern hat das D0-Experiment am Fermilab bei Chicago einen ersten direkten Hinweis auf die Oszillation von B_s-Mesonen gefunden. Diese Messung sollte zu einem besseren Verständnis des Mysteriums der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im Universum beitragen.

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 z.B. 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  (Umfang von 7 km) 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 (Ausmaße von 20m x 12m x 12m - der Größe eines vierstöckigen Mehrfamilienhauses) ist eine internationale Kollaboration von rund 700 Wissenschaftlern aus 20 Ländern. Die Arbeitsgruppe1  von Univ.-Prof. Dr. Stefan Tapprogge aus dem Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ist seit mehreren Jahren an diesem Experiment beteiligt und hat entscheidende Beiträge zu dieser Messung der Eigenschaften des Bs-Mesons geliefert.

 
Computerdarstellung der Zerfallsprodukte eines der kurzlebigen, oszillierten Bs-Meson-Kandidaten. Die Produktion erfolgte in einer Proton-Antiproton-Kollision (roter Punkt), der Zerfall bei der Position des blauen Punktes.2

 

 

Luftaufnahme des FNAL-Geländes mit dem Tevatron-Beschleuniger und der Lage des CDF- und des  D0-Detektors.2

Die besondere Herausforderung liegt hierbei an der deutlichen 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 in 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 1 mm. 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.

 

 

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Mitarbeiter: Dipl Phys. C. Ay, Cand.Phys. C. Bernius, Dr. T. Kuhl, Dr. T. Trefzger, Dipl. Phys. G. Weber
2 Das Bildmaterial wurde freundlicherweise vom Fermilab sowie der D0-Kollaboration zur Verfügung gestellt.