Zum ersten Mal haben Physiker des weltweit größten Atomzerstörers Unterschiede beim Zerfall von Partikeln und Antiteilchen beobachtet, die einen Grundbaustein der Materie enthalten, den so genannten Charm Quark.
Der Befund könnte helfen, das Rätsel zu erklären, warum Materie überhaupt existiert.
"Es ist ein historischer Meilenstein", sagte Sheldon Stone, Professor für Physik an der Syracuse University und einer der Mitarbeiter der neuen Forschung.
Materie und Antimaterie
Jedes Materieteilchen hat ein Antiteilchen, dessen Masse identisch ist, das jedoch eine entgegengesetzte elektrische Ladung aufweist. Wenn sich Materie und Antimaterie treffen, vernichten sie sich gegenseitig. Das ist ein Problem. Der Urknall hätte eine äquivalente Menge an Materie und Antimaterie erzeugen müssen, und all diese Teilchen hätten sich schnell gegenseitig zerstören und nichts als reine Energie zurücklassen müssen.
Die Idee der CP-Verletzung kam vom russischen Physiker Andrei Sacharow, der sie 1967 als Erklärung dafür vorschlug, warum die Materie den Urknall überlebte.
"Dies ist eines der Kriterien, die für unsere Existenz erforderlich sind", sagte Stone. "Daher ist es wichtig zu verstehen, woher die CP-Verletzung stammt."
Es gibt sechs verschiedene Arten von Quarks, alle mit ihren eigenen Eigenschaften: oben und unten, oben und unten und Charme und seltsam. 1964 beobachteten Physiker die CP-Verletzung erstmals im wirklichen Leben in seltsamen Quarks. Im Jahr 2001 wurde dies bei Partikeln mit Bodenquarks beobachtet. (Beide Entdeckungen führten zu Nobelpreisen für die beteiligten Forscher.) Physiker hatten lange theoretisiert, dass dies auch bei Partikeln mit Zauberquarks der Fall war, aber niemand hatte es jemals gesehen.
Bezaubert, da bin ich mir sicher
Stone ist einer der Forscher des Beauty-Experiments Large Hadron Collider (LHC), bei dem der Large Hadron Collider von CERN verwendet wird, der 27 Kilometer lange Ring an der französisch-schweizerischen Grenze, an dem subatomare Partikel ineinander geschleudert werden Erschaffe die Blitze umwerfender Energie, die dem Urknall folgten. Wenn die Partikel ineinander schlagen, zerfallen sie in ihre Bestandteile, die dann innerhalb von Sekundenbruchteilen zu stabileren Partikeln zerfallen.
Die neuesten Beobachtungen betrafen Kombinationen von Quarks, die als Mesonen bezeichnet werden, insbesondere das D0-Meson ("d-Null") und das Anti-D0-Meson. Das D0-Meson besteht aus einem Charm-Quark und einem Anti-Up-Quark (dem Antiteilchen des Up-Quarks). Das Anti-D0-Meson ist eine Kombination aus einem Anti-Charm-Quark und einem Up-Quark.
Beide Mesonen zerfallen auf viele Arten, aber ein kleiner Prozentsatz von ihnen endet als Mesonen, die Kaonen oder Pionen genannt werden. Die Forscher maßen den Unterschied in den Zerfallsraten zwischen den D0- und den Anti-D0-Mesonen, ein Prozess, bei dem indirekte Messungen durchgeführt wurden, um sicherzustellen, dass nicht nur ein Unterschied in der anfänglichen Produktion der beiden Mesonen oder Unterschiede in ihrer Leistung gemessen wurden Geräte könnten verschiedene subatomare Partikel nachweisen.
Das Endergebnis? Die Zerfallsverhältnisse unterschieden sich um ein Zehntel Prozent.
"Das bedeutet, dass D0 und Anti-D0 nicht mit der gleichen Geschwindigkeit zerfallen, und das nennen wir CP-Verletzung", sagte Stone.
Und das macht die Dinge interessant. Die Unterschiede in den Zerfällen sind wahrscheinlich nicht groß genug, um zu erklären, was nach dem Urknall passiert ist, um so viel Materie zurückzulassen, sagte Stone, obwohl es groß genug ist, um überraschend zu sein. Aber jetzt, sagte er, sind Physiktheoretiker mit den Daten an der Reihe.
Physiker verlassen sich auf das sogenannte Standardmodell, um alles auf subatomarer Ebene zu erklären. Die Frage, sagte Stone, ist nun, ob die Vorhersagen des Standardmodells die Charme-Quark-Messung erklären können, die das Team gerade durchgeführt hat, oder ob es eine Art neue Physik erfordern wird - was laut Stone das aufregendste Ergebnis wäre.
"Wenn dies nur durch neue Physik erklärt werden könnte, könnte diese neue Physik die Idee enthalten, woher diese CP-Verletzung kommt", sagte er.
Die Forscher kündigten die Entdeckung in einem CERN-Webcast an und veröffentlichten einen Vorabdruck eines Papiers, in dem die Ergebnisse online aufgeführt sind.
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