Warum existiert das Universum überhaupt, anstatt sich kurz nach seiner Entstehung ausgelöscht zu haben? Diese fundamentale Frage der Physik erfährt durch eine neuartige Zusammenarbeit zweier großer wissenschaftlicher Experimente eine neue Erklärung.
Neutrinos, diese geisterhaften Teilchen, die Materie nahezu ohne Wechselwirkung durchdringen, könnten den Schlüssel zu diesem Rätsel halten. Ihre genaue Untersuchung ermöglicht es zu erforschen, warum die Materie in den ersten kosmischen Augenblicken die Antimaterie überlebt hat.
Innenansicht des Super-Kamiokande-Detektors.
Bildnachweis: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo
Zum ersten Mal haben die Experimente T2K in Japan und NOvA in den USA ihre Daten vereint. Sie erzeugen Neutrinostrahlen, die über Hunderte von Kilometern zu nahen und fernen Detektoren geschickt werden. Diese Methode ermöglicht es, zu beobachten, wie diese Teilchen auf ihrer Reise ihren Typ ändern, ein Phänomen, das als Oszillation bezeichnet wird (siehe unten).
Die kombinierten Ergebnisse, veröffentlicht in
Nature, liefern sehr präzise Messungen dieses Verhaltens. Sie helfen dabei, die Reihenfolge der Massen der Neutrinos zu bestimmen, also welche Typen die leichtesten sind. Diese Information beeinflusst die Möglichkeit einer Verletzung der Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie (Erklärung am Ende des Artikels).
Wenn sich Neutrinos und Antineutrinos unterschiedlich verhalten, könnte dies das im Universum beobachtete Ungleichgewicht erklären. Trotz großer Fortschritte erlauben die aktuellen Daten noch keine signifikante Entscheidung. Diese Studie stellt eine weltweite Anstrengung dar, an der Hunderte von Forschern aus zahlreichen Ländern beteiligt sind.
Die Experimente sammeln weiterhin Daten, um zukünftige Analysen zu verfeinern.
Die Oszillation der Neutrinos
Neutrinos existieren in drei Formen oder Sorten: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Während ihrer Bewegung können sie spontan von einer Sorte in eine andere wechseln. Dieses Phänomen, genannt Oszillation, hängt von ihren Massen und den zurückgelegten Entfernungen ab.
Die Oszillation tritt auf, weil jede Sorte eine Mischung aus drei verschiedenen Massenzuständen ist. Diese Zustände entwickeln sich im Raum unterschiedlich, was zu periodischen Veränderungen der detektierten Sorte führt. Es ist ein bisschen so, als würde sich eine Farbe in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg in eine andere verändern.
Experimente wie T2K und NOvA messen diese Oszillationen, indem sie Neutrinostrahlen über große Entfernungen schicken. Durch den Vergleich der Sorten am Start- und am Zielpunkt können Physiker Schlüsselparameter ableiten, wie etwa die Massenunterschiede zwischen den Zuständen.
Dieses Verständnis ist entscheidend, um umfassendere Fragen zu erforschen, wie die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie. Die Oszillation von Neutrinos stellt somit ein Fenster zu fundamentalen Prozessen dar, die das Universum geformt haben.
Die CP-Symmetrie und ihre kosmische Rolle
Die CP-Symmetrie ist ein Prinzip der Teilchenphysik, das postuliert, dass die Gesetze für Materie und Antimaterie nach einer Umkehr von Ladung und Parität identisch sein sollten. Mit anderen Worten: Ein Prozess und sein Spiegelbild mit Antiteilchen sollten mit der gleichen Wahrscheinlichkeit ablaufen.
Wenn diese Symmetrie verletzt wird, bedeutet das, dass sich Materie und Antimaterie nicht exakt gleich verhalten. Solche Verletzungen wurden bereits bei anderen Teilchen beobachtet, doch sie sind zu schwach, um die Vorherrschaft der Materie im beobachtbaren Universum zu erklären.
Neutrinos bieten ein vielversprechendes Terrain, um eine signifikantere Verletzung der CP-Symmetrie zu entdecken. Wenn die Oszillationen von Neutrinos und Antineutrinos unterschiedlich sind, würde dies auf eine Asymmetrie hindeuten, die die frühe kosmische Entwicklung beeinflusst haben könnte.
Die aktuelle Forschung zielt darauf ab, diese Verhaltensunterschiede genau zu messen. Die Ergebnisse könnten helfen zu verstehen, warum das Universum heute hauptsächlich aus Materie besteht, was die Existenz von Galaxien, Sternen und Leben ermöglicht.
Quelle: Nature