Als ich vor ziemlich genau 20 Jahren als frisch gebackener Abiturient das Fermilab in der Nähe von Chicago besichtigte, durfte ich (in fachkundiger Begleitung) auch durch einen der dortigen Detektoren klettern, der gerade für Wartungsarbeiten auseinandergebaut war. Ich hatte damals zunächst nicht ganz verstanden, dass der Detektor nicht “Daisy-Rho” sondern “D0” hieß, also “D-Null”, auf englisch “D-Zero” gesprochen. Jetzt hat D0 in der Teilchenphysik eine ziemliche Bombe platzen lassen.

Als Warnung vorab:  Noch sind die Ergebnisse, die in dieser Pressemitteilung beschrieben werden, nicht veröffentlicht, sondern lediglich eingereicht. Das ist aus meiner Sicht und der Sicht vieler anderer Kollegen kein guter Stil; eigentlich sollte eine Pressemitteilung erst herausgehen, wenn der Artikel zumindest zur Veröffentlichung angenommen ist. Andererseits dürfte das Ergebnis zumindest intern bereits genau unter die Lupe genommen worden sein – so ein modernes Teilchenphysikexperiment hat ja alleine schon eine Mannschaft von einigen hundert Wissenschaftlern (in diesem Falle,  so entnehme ich der Mitteilung, 500 Physiker von 86 Institutionen in 19 verschiedenen Ländern).

Also, worum geht es?

In den herkömmlichen kosmologischen Modellen bestand der Kosmos kurz nach dem Urknall zu fast gleichen Teilen aus Materie und Antimaterie.

Antiteilchen sind dabei in den modernen Theorien der Teilchenphysik Gegenstücke zu herkömmlichen Teilchen: Es gibt Elektronen, und es gibt Anti-Elektronen (genannt Positronen), es gibt Neutrinos und Antineutrinos, und so weiter. Dass es so etwas wie Antiteilchen gibt, folgt ziemlich direkt aus den grundlegenden Eigenschaften von Raum und Zeit (sprich: aus Einsteins Spezieller Relativitätstheorie). Zu jeder Sorte Teilchen gibt es eine Sorte Antiteilchen; Teilchen und zugehörige Antiteilchen haben dabei die gleiche Masse, aber bei allen Ladungen (sprich: bei der elektrischen Ladungen und dazu analogen Eigenschaften) das umgekehrte Vorzeichen.

Was es heißt, dass im frühen Kosmos Teilchen und zugehörige Antiteilchen zu “fast gleichen Teilen” vorhanden waren, ist sehr schön in diesem Exponat gezeigt. Es gehört zur Ausstellung Entwicklung des Universums, die bis auf weiteres im Deutschen Museum in München zu sehen ist:

Da stehen zwei etwa hüfthohe Behälter, einer mit schwarzem Sand, der die Antimaterieteilchen darstellen soll, und einer mit weißem Sand für die Materieteilchen. In dem weißen Behälter ist, etwas herausgestellt und mit dem eingebauten Vergrößerungsglas direkt zu besichtigen, ein einziges Sandkorn mehr als in dem schwarzen. Das entspricht dem Verhältnis der Teilchenzahl zur Antiteilchenzahl im frühen Universum.

Treffen Teilchen und entsprechende Antiteilchen aufeinander, können sie sich zu reiner Strahlung vernichten (z.B. zu Photonen, den Elementarteilchen, aus denen Licht besteht). Genau das geschah laut der heutigen kosmologischen Modelle im frühen Universum. Die verschwindend wenige Materie, die übrig blieb – im Exponat: das eine zusätzliche Sandkorn – ist alle Materie, die wir heute im Universum sehen: Die Materie, aus denen Sterne wie unsere Sonne bestehen, und auch die Materie, aus denen wir selbst und unser Heimatplanet bestehen.

Das Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie mag, schaut man auf das Exponat, sehr gering anmuten. Für die Teilchenphysiker war es dagegen viel zu groß. Im heutigen Standardmodell der Teilchenphysik ist es sehr schwer, die Symmetrie – die Gleichbehandlung – von Materie und Antimaterie zu brechen und zu erklären, wie das Ungleichgewicht im frühen Universum zustande kam. Zwar gibt es durchaus Teilchenreaktionen, in denen Teilchen und Antiteilchen ungleich behandelt werden; rechnet man die Prozesse im frühen Universum durch, kommt allerdings ein deutlich kleinerer numerischer Vorsprung der Materie vor der Antimaterie heraus, als nötig wäre, um unser heutiges Materieuniversum zu erklären.

Damit wären wir bei D0 und den neuen Ergebnissen. Hier ist ein Bild des Detektors:

[Bild: Fermilab]

Und hier ist eine Grafik der Ergebnisse, die zunächst einmal recht unscheinbar aussieht:

[Bild: DZero Collaboration]

Aufgetragen ist eine Ebene, die von zwei Parametern aufgespannt wird, die etwas über die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie aussagen (sprich: darüber, wie mehr oder weniger unterschiedlich Teilchen und Antiteilchen an bestimmten Teilchenreaktionen teilnehmen). Die blaue Linie zeigt diejenigen Kombinationen von Parameterwerten, die mit den Messungen von D0 vereinbar sind. Der einsame schwarze Punkt zeigt die Vorhersage des Standardmodells der Teilchenphysik.

Wenn sich dieses Ergebnis bestätigt, ist das etwas ganz Großes. Zum einen könnte sich daraus neue Physik ergeben, die endlich schlüssig erklärt, wie das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie im frühen Universum zustande kam – und das ist nun einmal eine ganz zentrale Frage. (Davon, dass jemand das unter Einbeziehen der neuen Messungen bereits richtig durchgerechnet hätte, habe ich noch nichts gehört, aber solche Rechnungen werden bestimmt sehr, sehr bald veröffentlicht.)

Zum anderen dürfte es sehr spannend sein, wohin sich das Standardmodell der Teilchenphysik mit diesen neuen Ergebnissen weiter entwickelt.

Im unspektakulärsten Fall kommt dabei heraus dass (a) die neuen Asymmetrien den Materiegehalt des Kosmos auch nicht erklären, und dass man (b) an das Gebäude des Standardmodells der Elementarteilchen noch einen kleinen Anbau anfügen muss. Im spektakulärsten Fall (und auch theoretische Physiker dürfen manchmal träumen) finden wir (a) eine Erklärung, warum es uns (oder zumindest die Materie, aus der wir bestehen) überhaupt gibt, und wird (b) eine Entwicklung in Gang gesetzt, an deren Ende ein neues, deutlich eleganteres Modell der Elementarteilchen steht.