Wissenschaftler lieben es, Geheimnisse zu erforschen, und je größer das Geheimnis, desto größer die Begeisterung. Es gibt viele große unbeantwortete Fragen in der Wissenschaft, aber wenn es um etwas Großes geht, ist es schwer zu übertreffen: „Warum gibt es etwas und nicht nichts?“
Das mag wie eine philosophische Frage erscheinen, aber es ist eine, die sich sehr gut wissenschaftlich untersuchen lässt. Etwas konkreter ausgedrückt: „Warum besteht das Universum aus der Art von Materie, die das menschliche Leben ermöglicht, so dass wir diese Frage überhaupt stellen können?“ Wissenschaftler, die in Japan forschen, haben im vergangenen Monat eine Messung angekündigt, die sich direkt mit dieser faszinierenden Frage befasst. Es scheint, dass ihre Messung den einfachsten Erwartungen der gegenwärtigen Theorie widerspricht und durchaus auf eine Antwort auf diese zeitlose Frage hindeuten könnte.
Ihre Messung scheint zu besagen, dass sich Materie und Antimaterie für eine bestimmte Gruppe von subatomaren Teilchen unterschiedlich verhalten.
Materie vs. Antimaterie
Mit dem J-PARC-Beschleuniger in Tokai, Japan, schossen Wissenschaftler einen Strahl geisterhafter subatomarer Teilchen, die Neutrinos genannt werden, und ihre Antimaterie-Gegenstücke (Antineutrinos) durch die Erde zum Super-Kamiokande-Experiment, das sich in Kamioka, ebenfalls in Japan, befindet. Dieses Experiment mit der Bezeichnung T2K (Tokai to Kamiokande) soll herausfinden, warum unser Universum aus Materie besteht. Ein eigenartiges Verhalten der Neutrinos, die so genannte Neutrino-Oszillation, könnte Aufschluss über dieses sehr schwierige Problem geben.
Die Frage, warum das Universum aus Materie besteht, mag wie eine seltsame Frage klingen, aber es gibt einen sehr guten Grund, warum die Wissenschaftler von dieser Frage überrascht sind. Denn die Wissenschaftler wissen nicht nur von der Existenz von Materie, sondern auch von Antimaterie.
Im Jahr 1928 schlug der britische Physiker Paul Dirac die Existenz von Antimaterie vor – einem antagonistischen Geschwisterchen der Materie. Kombiniert man gleiche Mengen von Materie und Antimaterie, so vernichten sich die beiden, wobei eine enorme Menge an Energie freigesetzt wird. Und da die physikalischen Prinzipien in der Regel auch in umgekehrter Richtung funktionieren, kann sich eine gewaltige Energiemenge in genau gleiche Mengen von Materie und Antimaterie umwandeln. Antimaterie wurde 1932 von dem Amerikaner Carl Anderson entdeckt, und die Forscher hatten fast ein Jahrhundert Zeit, ihre Eigenschaften zu untersuchen.
Der Satz „in genau gleiche Mengen“ ist jedoch der springende Punkt des Rätsels. In den kurzen Momenten unmittelbar nach dem Urknall war das Universum voll von Energie. Als es sich ausdehnte und abkühlte, hätte sich diese Energie zu gleichen Teilen in subatomare Materie- und Antimaterieteilchen umwandeln müssen, die heute beobachtbar sein müssten. Und doch besteht unser Universum im Wesentlichen nur aus Materie. Wie kann das sein?
Indem sie die Anzahl der Atome im Universum zählten und mit der Energiemenge verglichen, die wir sehen, stellten die Wissenschaftler fest, dass „genau gleich“ nicht ganz richtig ist. Als das Universum etwa ein Zehntel einer Billionstel Sekunde alt war, haben sich die Naturgesetze irgendwie ein wenig in Richtung Materie verschoben. Auf je 3.000.000.000 Antimaterieteilchen kamen 3.000.000.001 Materieteilchen. Die 3 Milliarden Materieteilchen und die 3 Milliarden Antimaterieteilchen vereinigten sich – und lösten sich wieder in Energie auf, so dass ein leichter Materieüberschuss übrig blieb, aus dem sich das heutige Universum zusammensetzt.
Seitdem dieses Rätsel vor fast einem Jahrhundert verstanden wurde, haben Forscher Materie und Antimaterie untersucht, um herauszufinden, ob sie bei subatomaren Teilchen ein Verhalten finden können, das den Materieüberschuss erklären würde. Sie sind davon überzeugt, dass Materie und Antimaterie in gleicher Menge vorhanden sind, haben aber auch beobachtet, dass eine Klasse subatomarer Teilchen, die so genannten Quarks, ein Verhalten zeigen, das Materie gegenüber Antimaterie leicht bevorzugt. Diese spezielle Messung war subtil und betraf eine Klasse von Teilchen namens K-Mesonen, die sich von Materie in Antimaterie und wieder zurück verwandeln können. Allerdings gibt es einen kleinen Unterschied zwischen der Umwandlung von Materie in Antimaterie und umgekehrt. Dieses Phänomen war unerwartet und seine Entdeckung führte 1980 zur Verleihung des Nobelpreises, aber das Ausmaß des Effekts reichte nicht aus, um zu erklären, warum die Materie in unserem Universum dominiert.
Geisterhafte Strahlen
Daher haben die Wissenschaftler ihre Aufmerksamkeit auf Neutrinos gerichtet, um zu sehen, ob ihr Verhalten den Materieüberschuss erklären kann. Neutrinos sind die Geister der subatomaren Welt. Da sie nur über die schwache Kernkraft miteinander wechselwirken, können sie Materie durchdringen, ohne auch nur annähernd zu reagieren. Um ein Gefühl für die Größenordnung zu bekommen: Neutrinos werden am häufigsten in Kernreaktionen erzeugt, und der größte Kernreaktor der Welt ist die Sonne. Um sich vor der Hälfte der Sonnenneutrinos abzuschirmen, bräuchte man eine Masse aus festem Blei, die etwa 5 Lichtjahre tief ist. Neutrinos interagieren wirklich nicht sehr viel.
Zwischen 1998 und 2001 wurde in einer Reihe von Experimenten – eines mit dem Super-Kamiokande-Detektor und ein anderes mit dem SNO-Detektor in Sudbury, Ontario – endgültig bewiesen, dass Neutrinos auch ein anderes überraschendes Verhalten zeigen. Sie ändern ihre Identität.
Physiker kennen drei verschiedene Arten von Neutrinos, die jeweils mit einem einzigartigen subatomaren Geschwisterchen verbunden sind, den Elektronen, Myonen und Taus. Elektronen sind die Verursacher der Elektrizität, und das Myon und das Tau-Teilchen sind den Elektronen sehr ähnlich, aber schwerer und instabil.
Die drei Arten von Neutrinos, das Elektronen-Neutrino, das Myon-Neutrino und das Tau-Neutrino, können sich in andere Arten von Neutrinos „verwandeln“ und wieder zurück. Dieses Verhalten wird als Neutrino-Oszillation bezeichnet.
Neutrino-Oszillation ist ein einzigartiges Quantenphänomen, aber es ist in etwa so, als würde man mit einer Schüssel Vanilleeis beginnen und, nachdem man einen Löffel geholt hat, zurückkommen und feststellen, dass die Schüssel halb Vanille und halb Schokolade ist. Neutrinos wechseln ihre Identität von einer einzigen Sorte zu einer Mischung von Sorten, zu einer ganz anderen Sorte und dann wieder zur ursprünglichen Sorte.
Antineutrino-Oszillationen
Neutrinos sind Materieteilchen, aber es gibt auch Antimaterie-Neutrinos, so genannte Antineutrinos. Und das führt zu einer sehr wichtigen Frage. Neutrinos oszillieren, aber oszillieren auch Antineutrinos und oszillieren sie genau so wie Neutrinos? Die Antwort auf die erste Frage ist ja, während die Antwort auf die zweite Frage nicht bekannt ist.
Betrachten wir das Ganze etwas ausführlicher, aber vereinfacht: Nehmen wir an, es gäbe nur zwei Neutrinoarten – Myon und Elektron. Nehmen wir weiter an, man hätte einen Strahl von Neutrinos, die nur vom Typ Myon sind. Neutrinos oszillieren mit einer bestimmten Geschwindigkeit, und da sie sich in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit bewegen, oszillieren sie in Abhängigkeit von der Entfernung vom Ort ihrer Entstehung. So sieht ein Strahl reiner Myon-Neutrinos in einer gewissen Entfernung wie eine Mischung aus Myon- und Elektronentypen aus, in einer anderen Entfernung dann wie reine Elektronentypen und dann wieder wie reine Myon-Neutrinos. Antimaterie-Neutrinos tun dasselbe.
Wenn jedoch Materie- und Antimaterie-Neutrinos mit leicht unterschiedlichen Raten oszillieren, würde man erwarten, dass man, wenn man sich in einer festen Entfernung von dem Punkt befindet, an dem ein Strahl reiner Myon-Neutrinos oder Myon-Antineutrinos erzeugt wurde, im Neutrino-Fall eine Mischung aus Myon- und Elektron-Neutrinos sehen würde, im Antimaterie-Neutrino-Fall jedoch eine andere Mischung aus Antimaterie-Muon- und Elektron-Neutrinos. Die tatsächliche Situation wird durch die Tatsache kompliziert, dass es drei Arten von Neutrinos gibt und die Oszillation von der Strahlenergie abhängt, aber das sind die großen Ideen.
Die Beobachtung unterschiedlicher Oszillationsfrequenzen von Neutrinos und Antineutrinos wäre ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Tatsache, dass das Universum aus Materie besteht. Es ist nicht die ganze Geschichte, denn weitere neue Phänomene müssen ebenfalls zutreffen, aber der Unterschied zwischen Materie- und Antimaterie-Neutrinos ist notwendig, um zu erklären, warum es mehr Materie im Universum gibt.
In der derzeit vorherrschenden Theorie, die die Neutrino-Wechselwirkungen beschreibt, gibt es eine Variable, die auf die Möglichkeit reagiert, dass Neutrinos und Antineutrinos unterschiedlich schwingen. Ist diese Variable gleich Null, so schwingen die beiden Teilchenarten mit identischer Geschwindigkeit; weicht diese Variable von Null ab, so schwingen die beiden Teilchenarten unterschiedlich.
Als T2K diese Variable maß, stellten sie fest, dass sie mit der Hypothese, dass Neutrinos und Antineutrinos identisch oszillieren, unvereinbar ist. Etwas technischer ausgedrückt, ermittelten sie einen Bereich möglicher Werte für diese Variable. Es besteht eine 95-prozentige Chance, dass der wahre Wert für diese Variable innerhalb dieses Bereichs liegt und nur eine 5-prozentige Chance, dass die wahre Variable außerhalb dieses Bereichs liegt. Die Hypothese „kein Unterschied“ liegt außerhalb des 95-Prozent-Bereichs.
Vereinfacht ausgedrückt, legen die aktuellen Messungen nahe, dass Neutrinos und Antimaterie-Neutrinos unterschiedlich oszillieren, auch wenn die Gewissheit nicht so groß ist, dass eine endgültige Aussage gemacht werden kann. In der Tat weisen Kritiker darauf hin, dass Messungen mit dieser statistischen Signifikanz sehr, sehr skeptisch betrachtet werden sollten. Aber es ist sicherlich ein enorm provokantes erstes Ergebnis, und die wissenschaftliche Weltgemeinschaft ist sehr an verbesserten und präziseren Studien interessiert.
Das T2K-Experiment wird weiterhin zusätzliche Daten aufzeichnen, in der Hoffnung, eine endgültige Messung durchzuführen, aber es ist nicht das einzige Spiel in der Stadt. Am Fermilab in der Nähe von Chicago schießt ein ähnliches Experiment namens NOVA sowohl Neutrinos als auch Antimaterie-Neutrinos in den Norden von Minnesota und hofft, T2K zu übertreffen. Und mit Blick auf die Zukunft arbeitet das Fermilab intensiv an seinem Flaggschiff-Experiment DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), das über weitaus bessere Möglichkeiten zur Untersuchung dieses wichtigen Phänomens verfügen wird.
Das T2K-Ergebnis ist zwar nicht endgültig und Vorsicht ist geboten, aber es ist sicherlich verlockend. Angesichts der enormen Bedeutung der Frage, warum es in unserem Universum keine nennenswerte Antimaterie zu geben scheint, wird die weltweite wissenschaftliche Gemeinschaft mit Spannung auf weitere Updates warten.
Ursprünglich veröffentlicht auf Live Science.
Don Lincoln ist Physikforscher am Fermilab. Er ist der Autor von „The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind“ (Johns Hopkins University Press, 2014), und er produziert eine Reihe von wissenschaftlichen Lehrvideos. Folgen Sie ihm auf Facebook. Die in diesem Kommentar geäußerten Meinungen sind seine eigenen.
Don Lincoln hat diesen Artikel zu Live Science’s Expert Voices beigetragen: Op-Ed & Insights.
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