Durch die Schönheit zu den Sternen

Veronica Chobanova

Dieser Text entstand im Rahmen des Klaus-Tschira-Preises für verständliche Wissenschaft. Hier schreiben Promovierte über ihre Doktorarbeit. Nur die Gewinnertexte wurden in Bild der Wissenschaft veröffentlicht. Es sind aber noch viele weitere hervorragende Texte darunter gewesen. Einigen von diesen wird in den Scilogs nun auch ein Platz in Form von Gastbeiträgen eingeräumt. Initiiert von Anna Müllner, die selbst am Preis teilnahm, hier bei den Scilogs bloggt und es schade fand, dass so viele spannende Geschichten über Wissenschaft nicht den Weg in die Öffentlichkeit fanden. Die Artikel findet ihr gesammelt hier, sie werden hintereinander veröffentlicht.

Einer dieser Texte von Veronika Chobanova. Veronika ist Physikerin an der Universität Santiago de Compostela (Spanien) und promovierte in Teilchenphysik am Max-Planck Institut für Physik (München). Die Chance, Quarks einmal aus erster Hand erklärt zu bekommen, wollen wir uns im Blog Quantenwelt nicht entgehen lassen.

Lest selbst:

Wie entstand die Materie, aus der wir bestehen? Dieses Rätsel versuchen Teilchenphysiker mit Hilfe eines “schönen” Teilchens zu lösen.

Wie existieren wir? Moderne Teilchenphysik kann Ihnen leider noch keine Antwort auf den Sinn des Lebens geben. Immerhin wissen Physiker mittlerweile einiges darüber, wie eine der wichtigsten Voraussetzungen für das Leben entstand: die Materie. Im vergangenen Jahrhundert hat die Urknalltheorie unsere Vorstellung vom Universum drastisch verändert. Unter anderem wurde uns klar, dass wir unsere Existenz einer winzig kleinen Asymmetrie zu verdanken haben. Doch wovon diese Asymmetrie genau verursacht wurde, bleibt bis heute ein Mysterium.

Mehr als 400 Forscher aus aller Welt suchen die Antwort auf die Frage nach der Herkunft der Materie am Belle-Experiment in Japan. Daran habe auch ich während meiner Doktorarbeit am Max-Planck-Institut für Physik in München gearbeitet. Der Name Belle, “schön” auf Französisch, ist nicht zufällig: Am Belle-Experiment werden Teilchen produziert, die einen “schönen” Quark (Beauty) enthalten.

Quarks sind Elementarteilchen, genau so wie das Elektron. Es gibt insgesamt sechs Quark-Arten: Up, Down, Strange, Charm, Beauty und Top. Dabei können nur die ersten zwei stabile Materie bilden, während Teilchen, die die restlichen vier enthalten, in einem Bruchteil der Sekunde zerfallen. Up- und Down-Quarks sind zum Beispiel Bestandteile des Protons und des Neutrons. Alle Quarks haben einen Anti-Quark-Partner – ein Elementarteilchen mit derselben Masse, aber entgegengesetzter Ladung. Anti-Quarks sind also die so genannten Antiteilchen der Quarks.

Die schönen B-Mesonen

Die bei Belle produzierten “schönen” Teilchen heißen B-Mesonen. Neben dem Anti-Beauty-Quark enthalten sie entweder einen Up- oder einen Down-Quark. Am Belle-Experiment entsteht ein B-Meson zusammen mit seinem Antiteilchen, einem Anti-B-Meson. Es hat dieselbe innere Struktur, dieselbe Masse und dieselbe mittlere Lebensdauer wie das B-Meson. Nur sind bei ihm die Quarks durch ihre Antipartner vertauscht, also durch ein Beauty-Quark und durch ein Anti-Up- oder Anti-Down-Quark.

Was B-Mesonen zu interessanten Forschungsobjekten macht, ist die Art und Weise, wie sie zerfallen. Sie besitzen eine riesige Vielfalt an möglichen Zerfällen, die verschiedene Aspekte der Materie beleuchten. Ich habe mich in meiner Doktorarbeit mit einem dieser Prozesse befasst. Bei diesem Zerfall geht das kurzlebige B-Meson in zwei weitere, deutlich leichtere Teilchen über, in ein ω-Meson und in ein Kaon. Das Besondere dabei ist, dass sowohl B-Mesonen als auch Anti-B-Mesonen auf dieser Art zerfallen können. Gleiche Massen, gleiche Lebensdauer, gleiche Zerfallsprodukte – auf den ersten Blick zwei identische Prozesse. Doch es stellt sich heraus, dass es einen entscheidenden Unterschied zwischen den beiden gibt: ihre Zerfallsrate in Abhängigkeit von der Zeit. Nun was genau bedeutet das?

Asymmetrie im Teilchen-Zerfall

Stellen Sie sich vor, dass wir mit gleich vielen B- wie Anti-B-Mesonen anfangen. Unterschiedliche Zerfallsraten in Abhängigkeit von der Zeit bedeutet nichts anderes, als dass nach einer gewissen Zeit mehr B-Mesonen als Anti-B-Mesonen (oder andersrum) in ein ω-Meson und ein Kaon zerfallen. Zu einem bestimmten Zeitpunkt bleibt also mehr von der einen Art übrig als von der anderen.

Dass Teilchen und Antiteilchen sich im Zerfall unterschiedlich verhalten, ist eine entscheidende Voraussetzung für unsere Existenz. Beim Urknall wurden gleiche Mengen an Teilchen und Antiteilchen erzeugt. Wenn beide aufeinander treffen, vernichten sie sich gegenseitig und produzieren Licht. Wären Teilchen und Antiteilchen komplett symmetrisch in ihren physikalischen Eigenschaften, würde das Universum heute aus purem Licht bestehen. Das heißt, uns würde es gar nicht geben. Doch wir sind da und überall um uns herum sehen wir Materie, die nur Teilchen und keine Antiteilchen enthält. Das Proton und das Elektron, aus denen die Atome gebaut sind, sind zum Beispiel Teilchen. Atome aus Anti-Protonen und Anti-Elektronen werden in der Natur nicht beobachtet. Die Materie hat also beim Urknall das Rennen gegen die Antimaterie durch eine Asymmetrie in ihrem Zerfall gewonnen. Wie genau das geschah, kann die Wissenschaft heute nur teilweise beantworten. Eines von etwa einer Milliarde Teilchen hat es geschafft, der Annihilierung mit der Antimaterie zu entgehen. Diese Überbleibsel bilden heute alles, was wir im Universum sehen: die Galaxien, die Sonne, unseren Planeten und auch uns.

B-Mesonen sind die perfekten Testobjekte für die Materie-Antimaterie-Asymmetrie, weil bei ihnen die davon verursachten Effekte besonders stark ausgeprägt sind. Asymmetrien in B-Mesonen-Zerfällen wurden am Anfang des Millenniums zum ersten Mal beobachtet und zwar am Belle-Experiment und am Konkurrenzexperiment BaBar in den USA. Die Ergebnisse dieser beiden Experimente waren ein entscheidender Beitrag zum Physiknobelpreis im Jahr 2008, den die Japaner Makoto Kobayashi und Toshihilde Maskawa erhalten haben. Ihre Theorie, die diese Effekte erklärt, ist mittlerweile ein etablierter Bestandteil der Teilchenphysik.

Auch im Zerfall, den ich untersucht habe, fand ich Evidenz von Materie-Antimaterie-Asymmetrie. So war es in der Theorie erwartet und in diesem Sinne ist nichts Überraschendes dabei. Das Faszinierende an diesem Zerfall ist allerdings ein anderer Aspekt: Er erlaubt uns einen Blick ins Unbekannte. Wir wissen, dass es möglicherweise unbekannte Teilchen gibt, die der Zerfall indirekt “spüren” kann.

Unbekannte Materie

Die Materie-Antimaterie-Asymmetrie, die bis jetzt beobachtet wurde und die von der weitgehend anerkannten Teilchenphysiktheorie, auch Standardmodell der Teilchenphysik genannt, erwartet wird, reicht bei weitem nicht aus, um den Materieüberschuss heutzutage zu erklären. Man ist also auf der Suche nach Asymmetrieeffekten, die über das Standardmodell hinausgehen. Es gibt auch verschiedene experimentelle Hinweise darauf, dass das Standardmodell unvollständig ist. Zum Beispiel wissen wir aus astronomischen Beobachtungen, dass die uns bekannte Materie nur 15 % der im Universum vorhandenen Masse ausmacht. Deswegen suchen Wissenschaftler nach neuen Arten von Materie.

Allgemein gibt es in dieser Forschung zwei Herangehensweisen dafür: den direkten und den indirekten Nachweis. Beim direkten Nachweis versucht man, die Teilchen an Beschleunigern direkt zu produzieren. Auf dieser Art hat man zum Beispiel das schwerste Quark, das Top-Quark, und das Higgs-Boson nachgewiesen. Diese Methode hat allerdings den Nachteil, dass man aus technischen Gründen nur begrenzt hohe Teilchenmassen erreichen kann. Wenn also ein unbekanntes Teilchen sehr schwer ist, kann es sein, dass wir nie in der Lage sein werden, es an einem Beschleuniger zu produzieren.

Bei der indirekten Methode misst man die Effekte, die neue Teilchen auf physikalische Messgrößen haben, ohne die Teilchen direkt zu beobachten. Zum Beispiel könnte ein neues Teilchen zum Zerfallsprozess beitragen und damit die beobachtete Zerfallsrate erhöhen oder verringern. Der Zerfall, den ich untersucht habe, ist aufgrund seiner internen Struktur besonders sensitiv auf solche Effekte und wird mithilfe der indirekten Methode studiert

Ich habe Belle-Daten analysiert und dabei gemessen, wie viele B- und wie viele Anti-B-Mesonen sich in Abhängigkeit von der Zeit in ein Kaon-ω-Meson-Paar verwandeln. Diese Aufgabe ähnelt der Suche nach einer Nadel in einem Heuhaufen, denn nur circa fünf von einer Million (Anti-)B-Mesonen zerfallen auf dieser Art. Dabei war es wichtig herauszufinden, ob die Zerfallsrate in Abhängigkeit von der Zeit sich von den theoretischen Vorhersagen unterscheiden. Mithilfe einer verbesserten Messmethode und einem größeren Datensatz sind unsere Ergebnisse präziser als frühere Belle-Messungen. Aufgrund der limitierten Daten aber ist die statistische Unsicherheit der Messgrößen noch signifikant, also lässt sich erst mal nichts über die Existenz von neuen Teilchen oder Antiteilchen schließen.

Limitierte Datensätze halten Teilchenphysiker allerdings nicht auf. Während Sie diesen Artikel lesen, arbeiten meine Kollegen am Münchener Max-Planck-Institut zusammen mit einem verstärkten Team aus mehr als 500 Wissenschaftlern, Tendenz steigend, aus Forschungseinrichtungen in 23 Ländern an einer Verbesserung des Belle-Experiments. Im Jahr 2018 soll das neue Experiment, Belle II, anlaufen und fünfzigmal so viele Daten wie sein Vorgänger sammeln. Am Großen Hadronen-Speicherring am CERN läuft momentan ein weiteres Experiment, das B-Mesonen untersucht – LHCb. An diesem bin ich momentan beschäftigt. Belle II und LHCb werden gemeinsam eine neue Ära der Teilchenphysik starten. Die erwarteten Datensätze werden eine Einsicht in die Geheimnisse des Universums ermöglichen. Bleiben Sie dabei, der Spannende Teil fängt gerade erst an!

Veröffentlicht von

www.quantenwelt.de/

Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

12 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Was ich nicht ganz verstehe: Wenn sich Teilchen und zugehörige Antiteilchen mindestens teilweise annihiliert haben, dann müsste es im Universum doch sehr viele Photonen geben. Der obige Satz deutet das an (Zitat:Eines von etwa einer Milliarde Teilchen hat es geschafft, der Annihilierung mit der Antimaterie zu entgehen., denn er läuft darauf hinaus, dass es in unserem Universum Milliarden Mal mehr Photonen (aus der Annihilierung) als Quarks und Leptonen geben müsste. Ausser natürlich, Photonen würden sich wieder zu Quarks und Leptonen rückumwandeln. Allerdings würde diese Rückumwandlung wiederum Teilchen-/Antiteilchen-Paare erzeugen.

    • Das Verhältnis von Baryonen zu Photonen beträgt 1 zu 1 Milliarde gemäss Physics Stack Exchange:The estimated photon to baryon ratio η is on the order of 1 billion. Die Anzahl der Photonen im sichtbaren Universum wird scheinbar empirisch geschätzt wobei die Mikrowellenhintergrundsstrahlung die entscheidende Komponente zu sein scheint.
      Wenn 1 Milliarde Photonen auf ein Baryon kommen passt das gut dazu, dass zu Beginn viele Teilchen/Antiteilchen sich annihiliert haben wie das im obigen Text beschrieben ist.

      • Daraus folgt aber auch, dass die Gesamtenergie aller Photonen des Universums eine Milliarde mal größer ist, als die Gesamtenergie (E=mc^2) aller Baryonen des Universums.
        Dennoch scheint das Universum keine positive Krümmung zu haben, oder verlangsamt zu expandieren, obwohl auch die Photonen ein Gravitationsfeld erzeugen.

        • Eine Zusatzfrage wäre, ob auch die relativistische Massenzunahme ein verstärktes Gravitationsfeld erzeugt, denn bei 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit ist bereits die Masse mehr als 7 mal so groß.

          • Wegen Krümmung des Universums: Die Gesamtenergiedichte des sichtbaren Universums, also die Summe aus aller Energie und Masse, ist genau gleich der so genannten kritischen Energiedichte. Das wissen wir aus Messungen. Daraus folgt ein flaches Universum. Diese Gesamtenergiedichte ist dominiert von der dunklen Energie – was genau das ist, wissen wir nicht. Der relativistische Beitrag zur Gesamtenergiedichte, der aus Photonen und Neutrinos besteht, ist eigentlich sehr klein, nämlich drei Größenordnungen kleiner als der Beitrag der Baryonen.

      • Ja, das Verhältnis von Baryonen zu Photonen im heutigen Universum ist in der Größenordnung von einer Milliarde. Was ihre Rückumwandlung zu Teilchen-Antiteilchen angeht, war dieser Prozess im frühen Universum tatsächlich im Gleichgewicht zur Annihilation zu Photonen. Bei der Ausdehnung des Universums hat sich auch seine Dichte verringert und es formten sich neutrale Atome aus den Elektronen und Protonen. Damit konnten sich die Photonen frei bewegen und entkoppelten von der Materie.

        • Müsste nicht die Paarbildung schon relativ früh aufgehört haben, denn 1 Megaelektronenvolt entspricht rund 11,6 Gigakelvin?
          Wenn durch die kosmologische Rotverschiebung auf Grund der Expansion des Universums die Energie der Photonen unter 1,022 Megaelektronenvolt abgesunken ist, dann können nicht einmal mehr die relativ energiearmen Elektron-Positron-Paare erzeugt werden, denn für die relativ leichten Up-Anti-Up-Quark-Paare werden schon 4,6 Megaelektronenvolt benötigt.
          Gibt es eigentlich auch Paarbildungsvorgänge, bei denen zwei Photonen die Energie liefern?
          Im Gegensatz zur gravitativen Rotverschiebung, bei der die Energie der Photonen gegen ihre Höhe im Gravitationsfeld eingetauscht wird, ist das Verschwinden der Energie der Photonen bei der kosmologischen Rotverschiebung schwerer zu erklären.

  2. Antiprotonen,
    ich kämpfe noch mit der Vorstellung von Protonen und elektrischer Ladung.
    Ist die elektrische Ladung eine Eigenschaft von Materie oder ist sie eigenständig?
    Wie denkt man sich eine anti-up Quark?

    • Während die Leptonen die Ladungen +1, 0, und -1 Elektronenladungen haben können, können die Quarks nur die Ladungen +2/3 und -1/3 Elektronenladungen haben, und die Anti-Quarks die Ladungen -2/3 und +1/3 Elektronenladungen.
      Das Antineutron besteht es aus zwei Anti-Down-Quarks (2*(+1/3)) und einem Anti-Up-Quark (1*(-2/3)).
      Das Antiproton besteht es aus einem Anti-Down-Quark (1*(+1/3)) und zwei Anti-Up-Quarks (2*(-2/3)).
      Die mittlere Lebensdauer von freien Antineutronen beträgt rund 880 Sekunden.
      Freie Antineutronen zerfallen zu Antiprotonen, Positronen, und Elektron-Neutrinos.
      Dabei wird ein Anti-Down-Quark in ein Anti-Up-Quark umgewandelt, das Zwischenprodukt ist dabei das W+ Boson, das dann sehr schnell zu einem Positron und einem Elektron-Neutrino zerfällt.
      Das Standardmodell der Elementarteilchen, für die Anti-Teilchen muss man die Ladung und die Helizität umkehren, das Top- und Bottom-Quark wird auch als truth und beauty bezeichnet:
      https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1c/Standard_Model_of_Elementary_Particles-de.svg

        • Zugabe, das Antimaterie-Triebwerk:
          Bei der Proton-Antiproton-Zerstrahlung entstehen zuerst positive, neutrale, und negative Pionen, die innerhalb von etwa 70 Nanosekunden ungefähr 21 Meter weit fliegen, natürlich nur im Vakuum.
          Die neutralen Pionen zerfallen dann zu zwei Gammaquanten.
          Die positiven Pionen zerfallen dann zu Antimyonen und Myonneutrinos.
          Die negativen Pionen zerfallen dann zu Myonen und Antimyonneutrinos.
          Die Myonen und die Antimyonen kommen unter diesen Bedingungen in rund 6,2 Mikrosekunden etwa 1,85 Kilometer weit.
          Die Antimyonen zerfallen dann zu Positronen, Elektronneutrinos, und Antimyonneutrinos.
          Die Myonen zerfallen dann zu Elektronen, Antielektronneutrinos, und Myonneutrinos.
          Die positiven und negativen Pionen, die Antimyonen und Myonen, die Positronen und Elektronen könnte man alle mit einem mehrere Kilometer großen Magnetfeld in eine einheitliche Richtung bündeln.
          Die Gammaquanten, die neutralen Pionen, und alle Arten von Neutrinos würden aber in alle Raumrichtungen entweichen, wobei die Gammaquanten schwere Strahlungsschäden an den Passagieren verursachen würden.
          Die neutralen Pionen können auch mit einem Anteil von 1,2 % zu einem Positron, einem Elektron, und einem Gammaquant zerfallen.
          Energiereiche Gammaquanten kann man auch mit schweren Atomkernen zu einer Positron-Elektron-Paarbildung anregen.
          Diese beiden Vorgänge sind deshalb so interessant, weil man die Positronen und die Elektronen mit einem Magnetfeld umlenken kann, aber die schädliche Gammastrahlung nicht.
          Wenn die Positronen und die Elektronen das Magnetfeld verlassen, dann sind sie so schnell, dass sie noch lange nicht zu Gammaquanten rekombinieren können.
          Bild:
          http://members.chello.at/karl.bednarik/ANANTRI.jpg

          • Nachtrag, bevor wir auf das Niveau von Raumschif Enterprise absinken, welches vorwiegend aus Nutzlastvolumen besteht, welches beim Ausfallen der Trieberke rumpelnd wie ein Ochsenkarren zum Stillstand kommt, und welches zu neuen Galaxien aufbricht, die scheinbar alle in unserer eigenen Galaxis liegen.
            Leergewicht des Raumschiffes = 1 Gigatonne,
            Treibstoffgewicht des Raumschiffes = 1,72 Gigatonnen,
            Gewicht der Treibstoffmaterie = 0,86 Gigatonnen,
            Gewicht der Treibstoffantimaterie = 0,86 Gigatonnen,
            Startgewicht des Raumschiffes = 2,72 Gigatonnen (denn e ist rund 2,72),
            Brennschlussgeschwindigkeit = Ausströmgeschwindigkeit
            (falls alle Teilchen genau nach hinten ausströmen) =
            nach Newton 100 Prozent der Lichtgeschwindigkeit,
            nach Einstein deutlich weniger, je nach Bezugssystem.
            Nur haben wir dann im Zielsystem keinen Treibstoff mehr, um wieder abzubremsen.

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