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Warum dominiert „Materie“ das Universum und nicht „Antimaterie“? Auf der Suche nach dem Warum das Universum existiert

WISSENSCHAFTENPHYSIKWarum dominiert „Materie“ das Universum und nicht „Antimaterie“? Auf der Suche nach dem Warum das Universum existiert

Im sehr frühen Universum, kurz nach dem Urknall, existierten sowohl die „Materie“ als auch die „Antimaterie“ in gleicher Menge. Aus den bisher unbekannten Gründen dominiert jedoch die „Materie“ das gegenwärtige Universum. Die T2K-Forscher haben kürzlich das Auftreten einer möglichen Ladungs-Paritäts-Verletzung in Neutrinos und die entsprechenden Anti-Neutrino-Oszillationen gezeigt. Dies ist ein Schritt nach vorn, um zu verstehen, warum Materie das Universum dominiert.

Der Urknall (der vor etwa 13.8 Milliarden Jahren stattfand) und andere verwandte physikalische Theorien legen nahe, dass die frühen Universum war Strahlung 'dominant' und die 'Materie' und das 'Antimaterie“ in gleicher Menge vorhanden.

Aber das Universum, das wir heute kennen, ist 'Materie' dominant. Wieso den? Dies ist eines der faszinierendsten Geheimnisse des Universums. (1).

Das Universum wie wir heute wissen, begann mit gleichen Mengen an 'Materie' und 'Antimaterie', beide wurden paarweise erzeugt, wie es das Naturgesetz erfordert, und wurden dann vernichtet, wobei wiederholt Strahlung erzeugt wurde, die als 'kosmische Hintergrundstrahlung' bekannt ist. Innerhalb von etwa 100 Mikrosekunden nach dem Urknall begann die Materie (Teilchen) irgendwie die Anzahl der Antiteilchen zu übertreffen, sagen wir einmal pro Milliarde, und innerhalb von Sekunden war die gesamte Antimaterie zerstört und hinterließ nur Materie.

Was ist der Prozess oder Mechanismus, der diese Art von Unterschied oder Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie erzeugen würde?

1967 postulierte der russische theoretische Physiker Andrei Sacharow drei Bedingungen, die für ein Ungleichgewicht (oder eine Produktion von Materie und Antimaterie mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten) im Universum notwendig sind. Die erste Sacharow-Bedingung ist die Verletzung der Baryonenzahl (eine Quantenzahl, die bei einer Wechselwirkung erhalten bleibt). Das bedeutet, dass Protonen extrem langsam in leichtere subatomare Teilchen wie ein neutrales Pion und ein Positron zerfallen. Ebenso zerfiel ein Antiproton in ein Pion und ein Elektron. Die zweite Bedingung ist die Verletzung der Ladungskonjugationssymmetrie, C, und der Ladungskonjugations-Paritätssymmetrie, CP, auch Ladungs-Paritätsverletzung genannt. Die dritte Bedingung ist, dass der Prozess, der Baryonenasymmetrie erzeugt, nicht im thermischen Gleichgewicht sein darf, da eine schnelle Expansion das Auftreten von Paar-Annihilation verringert.

Es ist Sacharows zweites Kriterium der CP-Verletzung, das ein Beispiel für eine Art Asymmetrie zwischen Teilchen und ihren Antiteilchen ist, die ihren Zerfall beschreibt. Durch den Vergleich der Art und Weise, wie sich Teilchen und Antiteilchen verhalten, dh wie sie sich bewegen, interagieren und zerfallen, können Wissenschaftler Beweise für diese Asymmetrie finden. Die CP-Verletzung liefert einen Beweis dafür, dass einige unbekannte physikalische Prozesse für die unterschiedliche Produktion von Materie und Antimaterie verantwortlich sind.

Die elektromagnetischen und 'starken Wechselwirkungen' sind bekanntermaßen unter C und P symmetrisch und folglich auch unter dem Produkt CP (3) symmetrisch. ''Dies gilt jedoch nicht unbedingt für die 'schwache Wechselwirkung', die sowohl die C- als auch die P-Symmetrie verletzt'' sagt Prof. BA Robson. Er sagt weiter, dass „die Verletzung von CP bei schwachen Wechselwirkungen impliziert, dass solche physikalischen Prozesse zu einer indirekten Verletzung der Baryonenzahl führen könnten, so dass die Erzeugung von Materie gegenüber der Erzeugung von Antimaterie bevorzugt wird“. Nicht-Quark-Teilchen zeigen keine CP-Verletzungen, während die CP-Verletzungen in Quarks zu klein und unbedeutend sind, um einen Unterschied in der Materie- und Antimaterie-Erzeugung zu haben. Die CP-Verletzung in Leptonen (Neutrinos) wird also wichtig und wenn sie bewiesen ist, würde sie beantworten, warum das Universum Materie dominiert.

Obwohl die Verletzung der CP-Symmetrie noch nicht schlüssig bewiesen werden muss (1), zeigen die vom T2K-Team kürzlich veröffentlichten Ergebnisse jedoch, dass Wissenschaftler wirklich nahe daran sind. Durch hochkomplexe Experimente am T2K (Tokai bis Kamioka) wurde zum ersten Mal gezeigt, dass der Übergang vom Teilchen zum Elektron und Neutrino gegenüber dem Übergang vom Antiteilchen zum Elektron und Antineutrino begünstigt wird (2). T2K bezieht sich auf zwei Labors, den japanischen Proton Accelerator Research Complex (J-Parc) in Tokai und das unterirdische Super-Kamiokande-Neutrino-Observatorium in der Kamioka, Japan, durch etwa 300 km getrennt. Der Protonenbeschleuniger in Tokai erzeugte die Teilchen und Antiteilchen aus hochenergetischen Kollisionen und Detektoren in Kamioka beobachteten die Neutrinos und ihre Antimaterie-Gegenstücke, Antineutrinos, indem sie sehr genaue Messungen durchführten.

Nach der Analyse mehrjähriger Daten bei T2K konnten die Wissenschaftler den Parameter Delta-CP messen, der die CP-Symmetriebrechung bei Neutrino-Oszillationen steuert, und fanden die Fehlanpassung oder eine Präferenz für die Erhöhung der Neutrinorate, die schließlich zu die Bestätigung der CP-Verletzung in der Art und Weise, wie Neutrinos und Antineutrinos oszillierten. Die vom T2K-Team gefundenen Ergebnisse sind bei einer statistischen Signifikanz von 3-Sigma oder einem Konfidenzniveau von 99.7 % signifikant. Dies ist ein Meilenstein, da die Bestätigung der CP-Verletzung mit Neutrinos mit der Dominanz der Materie im Universum verbunden ist. Weitere Experimente mit einer größeren Datenbasis werden testen, ob diese leptonische CP-Symmetrieverletzung größer ist als die CP-Verletzung in Quarks. Wenn dem so ist, dann haben wir endlich die Antwort auf die Frage, warum das Universum die Materie dominiert.

Obwohl das T2K-Experiment nicht eindeutig feststellt, dass eine CP-Symmetrieverletzung aufgetreten ist, ist es jedoch ein Meilenstein in dem Sinne, dass es eindeutig eine starke Präferenz für eine erhöhte Elektron-Neutronenrate zeigt und uns näher bringt, das Auftreten einer CP-Symmetrieverletzung zu beweisen und schließlich zu den Antwort 'Warum das Universum die Materie dominiert'.

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References:

1. Tokyo University, 2020. ''T2K-Ergebnisse beschränken mögliche Werte der Neutrino-CP-Phase -…..'' Pressemitteilung veröffentlicht am 16. April 2020. Online verfügbar unter http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Zugriff am 17. April 2020.

2. Die T2K-Kollaboration, 2020. Einschränkung der symmetrieverletzenden Phase von Materie-Antimaterie in Neutrino-Oszillationen. Nature Band 580, Seiten 339–344 (2020). Veröffentlicht: 15. April 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

3. Robson, BA, 2018. Das Materie-Antimaterie-Asymmetrieproblem. Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015

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