Schicksal der Antimaterie im Universum: Dem Geheimnis ein Stückchen näher gekommen

Mainzer Physiker tragen zur Messung von Teilchen-Antiteilchen-Oszillationen am Fermilab in Chicago bei

Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben bei Experimenten am US-Teilchenbeschleuniger Fermilab einen entscheidenden Beitrag zur Messung der Eigenschaften von Bs-Mesonen, subatomaren Teilchen, die aus einem Quark und einem Antiquark aufgebaut sind, geliefert. „Diese Messung wird zu einem besseren Verständnis des Mysteriums der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im Universum beitragen“, erwartet Univ.-Prof. Dr. Stefan Tapprogge vom Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität. Seine Arbeitsgruppe ist seit über einem Jahr an einer speziellen Analyse von Daten des D0-Experiments am Fermilab bei Chicago beteiligt. Das D0-Experiment ist eine internationale Zusammenarbeit von rund 700 Wissenschaftlern aus 20 Ländern, die über die grundlegenden Eigenschaften der Materie forschen. Die Ergebnisse zur Oszillation von Bs-Mesonen sind zur Veröffentlichung in der Zeitschrift Physical Review Letters eingereicht (http://arxiv.org/abs/hep-ex/0603029).

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 (zum Glück) 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 z.B. 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 – subatomare Teilchen, die ein b-Quark enthalten – erstmals in den 80er Jahren beobachtet. Bisher konnte diese so genannte 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 (Fermilab) in der Nähe von Chicago. Hier werden Bs-Mesonen in Proton-Antiproton-Kollisionen bei den derzeit im Labor höchst möglichen Energien erzeugt. Das D0-Experiment hat mit einem Ausmaß von 20m x 12m x 12m die Größe eines vierstöckigen Mehrfamilienhauses. Die Arbeitsgruppe (1) von Prof. Tapprogge 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 deutlichen schnelleren Oszillation im Vergleich zu Bd-Mesonen. Die jetzt vorhandenen Daten weisen auf eine um einen Faktor 40 höhere Oszillationsgeschwindigkeit bei Bs-Mesonen hin. Eine Umwandlung von Teilchen zu Antiteilchen geschieht auf einer Flugstrecke von weniger als 1 mm. 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.

(1) Mitarbeiter: Dipl Phys. C. Ay, Cand.Phys. C. Bernius, Dr. T. Kuhl, Dr. T. Trefzger, Dipl. Phys. G. Weber

Kontakt und Informationen:
Univ.-Prof. Dr. Stefan Tapprogge
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Tel. 06131 39-25610
Fax 06131 39-25169
E-Mail: stefan.tapprogge@uni-mainz.de