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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
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).
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.
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.
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.
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.
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.