Weiterer Teilchenzerfall mit CP-Verletzung nachgewiesen

Beim Urknall entstanden Materie und Antimaterie in etwa gleichen Mengen, doch heute besteht unser Universum fast nur aus der uns bekannten Materie. Das LHCb Experiment am Europäischen Kernforschungszentrum CERN versucht deswegen kleine Unterschiede beim Verhalten von Materie und Antimaterie zu finden, die erklären könnten, warum gerade Materie von der Natur bevorzugt wird. Eine solche Asymmetrie beobachteten die Forscher der LHCb-Kollaboration nun während des Zerfalls eines B-Mesons. Ihre Ergebnisse haben sie bei der Zeitschrift „Physical Review Letters“ zur Veröffentlichung eingereicht. Bisher sind nur drei weitere Teilchen bekannt, die eine ähnliche Asymmetrie zeigen.

LHCb-Experiment

B-Mesonen bestehen aus einem Bottom-Quark und einem weiteren Quark. Die Physiker am Large Hadron Collider LHC beschäftigten sich mit dem Zerfall eines B_s⁰-Teilchens, also eines neutralen B-Mesons, das neben dem Bottom- noch ein Strange-Quark besitzt. Dabei wiesen sie für dieses Teilchen erstmals eine Asymmterie nach, die sogenannte CP-Verletzung.

Der Begriff CP-Verletzung geht darauf zurück, dass Wissenschaftler lange Zeit annahmen, dass physikalische Gesetze und Teilchen sich durch eine Spiegelung des Raumes nicht verändern würden, dies nennt man P-Invarianz. Ebenso sollten physikalische Vorgängen gleich ablaufen, wenn alle Teilchen durch ihre Antiteilchen ersetzt würden – die beiden Arten von Materie unterscheiden sich nur in ihrer Ladung. Das gleichbleibende Verhalten bei einer Ladungsvertauschung heißt C-Invarianz. Es gibt jedoch einige physikalische Phänomene, die sich bei einer Ladungsvertauschung oder eine Raumspiegelung durchaus verändern würden. Dazu gehört die schwache Wechselwirkung, die unter anderem bei der Kernfusion im Inneren der Sonne eine Rolle spielt. Diese Ausnahmen sind aber fast immer CP-invariant, sodass ihr Ablauf gleich bleibt, wenn zugleich die Ladung vertauscht und der Raum gespiegelt wird.

Doch auch die CP-Invarianz ist kein absolutes Gesetz wie man seit den 1960er Jahren weiß. Bis heute sind jedoch nur vier Zerfälle bekannt, die sie verletzen. Einer dieser Zerfälle ist der des B_s⁰-Mesons, den die Wissenschaftler mit Daten des LHC aus dem Jahr 2011 nachweisen konnten. Die Entdeckung sei nur möglich gewesen mit den großen Mengen an Daten, die der Beschleuniger produziert, und der Leistungsfähigkeit des LHCb-Detektors, so die Forscher „Wir wissen aber gleichzeitig, dass die im Standardmodell vorgesehene CP-Verletzung nicht groß genug ist, um ein materiedominiertes Universum zu erklären“, erläutert Pierluigi Campana, Sprecher der LHCb-Kollaboratrion. Das Experiment am CERN kann also nur als ein weiterer Schritt gesehen werden hin zu der Erklärung, warum unser Universum sich auf die bekannte Weise entwickelt hat.