Neue Erkenntnisse in der Antimaterie-Forschung
10.04.2006
Eines der großen Geheimnisse unseres Universums ist die Existenz von Materie und die offensichtliche Abwesenheit von Antimaterie. Zum Zeitpunkt des Urknalls sollten beide in gleichen Mengen entstanden sein. Wenn Materie und Antimaterie in Kontakt kommen, vernichten sie sich in reine Energie. Dies ist jedoch nicht vollständig geschehen.
Das Fehlen von Antimaterie kann qualitativ durch die Verletzung einer fundamentalen Symmetrie in der schwachen Wechselwirkung erklärt werden. Die Eigenschaften der schwachen Wechselwirkung, die zum Beispiel für die natürliche Radioaktivität verantwortlich ist, erlauben nämlich den periodischen Übergang eines neutralen Teilchens in sein Antiteilchen und zurück. Dieser Übergang wurde für Bd-Mesonen, also subatomare Teilchen, die ein b-Quark enthalten, erstmals in den 1980er-Jahren beobachtet. Bisher konnte diese sogenannte Oszillation noch nicht für die etwas schwereren Bs-Mesonen direkt nachgewiesen werden.
Kürzlich konnte mit dem D0-Experiment erstmals ein direkter experimenteller Hinweis auf die Oszillation von Bs-Mesonen erzielt werden. D0 ist eines von zwei Experimenten am Tevatron-Beschleuniger des Fermi-National-Accelerator-Laboratory (FNAL) bei Chicago in USA, wo Bs-Mesonen in Proton-Antiproton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 1.96 TeV erzeugt werden. Das D0-Experiment mit Ausmaßen von 20 mal 12 mal 12 Metern ist eine internationale Kollaboration von rund 700 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus 20 Ländern. Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Stefan Tapprogge am Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist seit mehreren Jahren an diesem Experiment beteiligt und hat entscheidende Beiträge zu dieser Messung der Eigenschaften des Bs-Mesons geliefert.
Die besondere Herausforderung liegt hierbei an der deutlich schnelleren Oszillation im Vergleich zu Bd-Mesonen. Die jetzt vorhandenen Daten weisen auf eine um einen Faktor 40 höhere Oszillationsgeschwindigkeit bei Bs-Mesonen hin. Das Ergebnis wurde zur Veröffentlichung in Physical Review Letters eingereicht. Die Oszillationsgeschwindigkeit beträgt, wie D0 herausgefunden hat, etwa 19 Billionen Mal pro Sekunde. Eine Umwandlung von Teilchen zu Antiteilchen geschieht auf einer Flugstrecke von weniger als einem Millimeter. Eine genauere Vermessung dieser Frequenz und weiterer Eigenschaften von Bs-Mesonen kann in Zukunft zu einem besseren Verständnis des Mysteriums der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im Universum beitragen und möglicherweise auch Hinweise auf neue, bisher nicht gesehene Physikprozesse liefern.