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Sebastian Frank - Warum verschwand die Antimaterie?

CP violating asymmetries induced by supersymmetry

oder

Warum verschwand die Antimaterie?

Sebastian Frank
angefertigt am Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften

Kurzfassung PDF

Vortrag PPS

LHC Movie WMV 9,2MB

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Egal wohin wir blicken, auf die Erde oder in die Weiten des Universums, wir sehen Materie. Das mag uns vielleicht gar nicht wundern. Die ursprüngliche Urknalltheorie besagt jedoch, dass zu Beginn des Universums in perfekter Symmetrie exakt gleich viel Materie wie Antimaterie entstand. Weil sich aber diese gegenseitig vernichten und zu Licht zerstrahlen, hätte daraus ein langweiliges, materieloses Universum entstehen müssen und wir hätten nie existiert! Da die Materie dieses kosmische "Inferno" überlebt hat und die Antimaterie verschwunden ist, muss es zu Beginn einen kleinen Materie-Überschuss gegeben haben. Was aber hat diese Symmetriebrechung verursacht?
Konkret betrachten wir hier die so genannte "Baryonenasymmetrie" (Baryonen sind zusammengesetzte Teilchen, wie z.Bsp. die aus drei Quarks bestehenden Protonen und Neutronen des Atomkerns).

Die ungeklärte Baryonenasymmetrie des Universums.
Ein sehr kleiner Überschuss an Materie (ein Teilchen für je 10 Milliarden Antiteilchen!) hat gereicht, um über die Antimaterie zu siegen. Aus diesem Rest entstanden Galaxien, Sterne, Planeten und letztendlich das Leben.

Das sehr erfolgreiche Standardmodell der Elementarteilchenphysik, welches alle uns heute bekannten Teilchen und drei der vier bekannten Wechselwirkungen zwischen den Teilchen beschreibt, kann jedoch diese Asymmetrie nicht erklären.

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik ist eine physikalische Theorie, welche die bekannten Elementarteilchen und Wechselwirkungen (außer der Gravitation) zwischen diesen beschreibt. Trotz des großen Erfolgs muss das Modell erweitert werden, um unter anderem die Baryonenasymmetrie erklären zu können.

Eine mögliche Lösung ist eine Erweiterung des Modells um eine neue, noch hypothetische Symmetrie der Natur namens "Supersymmetrie" (SUSY). Sie ist eine abstrakte Symmetrie zwischen den beiden Teilchenarten Bosonen (wie z.Bsp. den Kraft-Teilchen) und Fermionen (wie z.Bsp. den Quarks und Leptonen, aus denen Materie besteht). Durch sie bekommt - im einfachsten Fall - jedes Teilchen des Standardmodells einen so genannten Superpartner. Mittels SUSY lassen sich viele offene Probleme der heutigen Physik - auch die der Baryonenasymmetrie - lösen. Konkret lässt sich durch SUSY eines der wichtigen Kriterien für Baryonenasymmetrie, die so genannte "CP-Verletzung", viel besser als im gewöhnlichen Standardmodell erfüllen.

Die einfachste mögliche Erweiterung des Standardmodells um Supersymmetrie (SUSY), wobei jedes Teilchen einen Superpartner erhält. SUSY ist die größte mögliche Symmetrie der Naturgesetze und ist auf Grund ihres Potenzials, offene Fragen der Teilchen- und Astrophysik zu beantworten, in der Theoretischen Physik sehr populär.

Viele Teilchen besitzen eine Eigenschaft, welche man als "Händigkeit" bezeichnet. Ganz ähnlich wie das Spiegelbild des Umrisses einer linken Hand das einer rechten Hand gleicht, ergibt das Spiegelbild eines "linkshändigen" Teilchens ein "rechtshändiges" und umgekehrt. Man erwartet nun, dass die Natur in einer Spiegelwelt - in der zusätzlich Materie mit Antimaterie vertauscht wird - völlig gleich ablaufen sollte. Die CP-Verletzung besteht nun darin, dass entgegen dieser Erwartung manche instabile, linkshändige Teilchen anders als ihr im Spiegel betrachtetes rechtshändiges Antiteilchen zerfallen. Für die Erklärung dieser sehr kleinen Verletzung innerhalb des Standardmodells wurde 2008 der Nobelpreis für Physik vergeben.

Ein "linkshändiges" Elektron und sein spiegelbildliches (via P-Transformation) Antiteilchen (via C-Transformation), das "rechtshändige" Positron. Allgemein verhalten sich Teilchen und deren CP-transformiertes Gegenstück in der Natur exakt gleich, bei manchen Teilchen gibt es jedoch leichte Unterschiede (CP-Verletzung).

In meiner Diplomarbeit, welche ich am Institut für Hochenergiephysik unter der Betreuung von Prof. Dr. Walter Majerotto und Dr. Helmut Eberl geschrieben habe, berechnete ich einen bestimmten Zerfall des supersymmetrischen "Stop"-Teilchens (dem Superpartner des Top-Quarks) und analysierte die CP-Verletzung der Zerfallsrate ausführlich. Bei geeigneter Wahl der Parameter des erweiterten supersymmetrischen Standardmodells konnte ich zeigen, dass sich dabei CP-Verletzungen der Zerfallsrate bis zu 24 Prozent ergeben, viel höher als im gewöhnlichen Standardmodell möglich! Dadurch wird das notwendige Kriterium für Baryonasymmetrie viel besser erfüllt und lässt somit auf eine mögliche Erklärung dieser Asymmetrie des Universums hoffen.

Eines von vielen anschaulichen Diagrammen, welches den Zerfall eines supersymmetrischen "Stop"-Teilchens (ganz links) in zwei Teilchen (ganz rechts) beschreibt. Durch die Korrektur des eigentlichen Zerfalls in Form einer Schleife (Zerfall und gleich wieder Vernichtung zweier intermediärer Teilchen) wird die CP-Symmetrie des Zerfalls verletzt. Dieses Diagramm liefert den wichtigsten Beitrag zur CP-Verletzung, jedoch erst wenn das Stop-Teilchen genügend schwer ist.

Resultat der Berechnung von der CP-Verletzung der Zerfallsrate (in Prozent) in Abhängigkeit von der Masse des zerfallenden Stop-Teilchens. Je schwerer das Teilchen ist, desto höher ist die CP-Verletzung, welche hier bis zu 24 Prozent betragen kann! Man erkennt sehr gut, ab wann der Beitrag des dominierenden Diagramms zu wirken beginnt.

Sofern SUSY tatsächlich existiert, sollte unser berechneter Effekt in Zukunft am Large Hadron Collider (LHC) am CERN messbar sein und dazu beitragen, den Schleier um die erstaunliche Baryonenasymmetrie des Universums etwas zu lüften.

Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN bei Genf ist die größte und komplexeste Maschine, die jemals gebaut wurde. Der stärkste Teilchenbeschleuniger der Welt wird unser Weltbild revolutionieren und uns neue Erkenntnisse liefern, sowohl über die subatomare Welt als auch über das Universum. Man erhofft damit insbesonders das noch unentdeckte Higgs-Teilchen (welches anderen Teilchen Masse verleiht) und neue, supersymmetrische Teilchen zu entdecken.