22.12.2016
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Materie-Antimaterie Asymmetrie

Machen wir es kurz: Auch die neuesten Ergebnisse einer Untersuchung an Antiwasserstoff haben keinen Hinweis geliefert, warum es im uns zugänglichen Universum nur Materie, aber praktisch keine Antimaterie gibt. Obwohl es in der Frühphase des Kosmos ursprünglich gleich viel Materie und Antimaterie gegeben haben muss, ist nach wie vor unklar, wie es zu dieser Asymmetrie gekommen sein könnte. Wir haben uns mit diesem Thema schon einmal im News-Beitrag „Symmetriebruch der Schwachen Kernkraft“ vom 16.09.2015 ausführlich beschäftigt und die von den Teilchenphysikern vorgeschlagene Verletzung der CP-Symmetrie als Ursache für das Materieungleichgewicht untersucht. Dort haben wir auch über Experimente berichtet, die darauf abzielen, eine unterschiedliche Masse von Teilchen und Antiteilchen, wie z.B Deuterium und Antideuterium, für die Asymmetrie verantwortlich zu machen. Ein Unterschied war jedoch nicht festzustellen.

Nun haben Physiker am CERN in Genf untersucht, ob nicht vielleicht bei der elektronischen Anregung von normalen Wasserstoff und Antiwasserstoff das CPT-Theorem (charge parity time) der Teilchenphysik verletzt ist. Entsprechend diesem Theorem sollte ein mit normaler Materie ablaufender Prozess genauso ablaufen, wenn die Materie durch Antimaterie ersetzt und zusätzlich der Raum gespiegelt wird. Man bezeichnet das als CPT-Invarianz.

Zunächst ein paar Worte zum Antiwasserstoff. Im Prinzip ist Antiwasserstoff so aufgebaut wie normaler Wasserstoff, wobei jedoch als Kern ein Antiproton und als die ihn umkreisende Ladung ein Anti-Elektron, d.h. ein positiv geladenes Positron dient (Bild 1: links normaler, rechts Antiwasserstoff).

materie antimaterie asymmetrie0

Bild 1 (Quelle: http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-20975-2016-12-21.html

 

Wie das Proton besteht auch das negativ geladene Antiproton aus drei Quarks, und zwar aus einem Anti-down-Quark (Ladung: + 1/3) und zwei Anti-up-Quarks (Ladung: je - 2/3). Nach außen ist der Antiwasserstoff elektrisch neutral.

Was haben die Wissenschaftler gemacht? Sie haben untersucht, ob es einen Unterschied in den Spektren des „normalen“ Wasserstoffs und des Antiwasserstoffs gibt. Wäre das der Fall, so wäre das CPT-Theorem verletzt und eventuell ein Hinweis auf die Ursache für die Asymmetrie zwischen Materie und Anti-Materie gefunden. Die Frage war: Ist das Energieniveau des 2s-Zustands beim Antiwasserstoff gleich dem des genau bekannten Niveaus des normalen Wasserstoffs (Bild 2)?

materie antimaterie asymmetrie2

Bild 2: Energieniveaus des Wasserstoffatoms (Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoffatom)

 

Mit ihrem Experiment konzentrierten sich die Forscher auf den elektronischen Übergang vom Grundzustand 1s (m = 1) in den ersten angeregten Zustand 2s (m = 2). Wie die Grafik zeigt, beträgt die Energiedifferenz zwischen diesen beiden Energieniveaus 10,2 eV. Beim normalen Wasserstoff ist das leicht zu messen. Aber Antiwasserstoff mussten die Forscher erst herstellen und sicher speichern, denn einen Kontakt mit normaler Materie, z.B. den Wänden der Versuchsanordnung, musste mit Hilfe von Magnetfeldern unterbunden werden, da sonst der Antiwasserstoff sofort zerstrahlt wäre. 

Für das Experiment nutzten die Physiker Jeffrey Hangst von der Universität Aarhus und seine Kollegen von der ALPHA-Kollaboration die Antimateriefalle des ALPHA-Experiments am CERN (Bild 3).

materie antimaterie asymmetrie3

(Quelle: http://www.nature.com/nature/journal/vaap/ncurrent/pdf/nature21040.pdf)

 

Für jeden Versuch wurden in der Mitte der Falle (Abschnitt „antihydrogen synthesis and trapping“) rund 90.000 Antiprotonen mit ca. 1,5 Millionen Positronen in Kontakt gebracht, wobei jeweils rund 25.000 Antiwasserstoffatome entstanden. Für den eigentlichen Versuch, also die Anregung des Antiwasserstoffs mit Licht entsprechender Wellenlänge, konnten davon jedoch nur jeweils rund 14 Antiwasserstoffatome in der Falle gehalten werden.

Um das 2s-Niveau des Wasserstoffs aus dem Grundzustand anzuregen, ist eine Energie von 10,2 eV nötig (siehe Bild 2). Dazu verwendeten die Physiker einen Laser der Wellenlänge 243 Nanometer. Licht dieser Wellenlänge hat jedoch nur halb so viel Energie, d.h. 5,1 eV. Um dennoch eine Anregung zu erreichen, mussten also zwei Photonen gleichzeitig vom Antiwasserstoff absorbiert werden. Ein seltener, aber hin und wieder doch eintretender Fall. Dazu wurde das von links in die Falle eintretende Laserlicht in einen optischen Resonator eingespeist, in dem es vom Spiegel am anderen Ende des Resonators wieder reflektiert wurde, sodass das Laserlicht aus zwei entgegengesetzten Richtungen auf die Atome traf. Das hat den Vorteil, dass man vom Dopplereffekt unabhängig ist. Mit Hilfe eines Modulators konnte die Frequenz des Lichts in gewissen Grenzen verändert werden, um die für eine Anregung passende Wellenlänge zu justieren. Ist ein Atom einmal angeregt, so kann es nicht mehr gehalten werden, es bricht aus und zerstrahlt an den Wänden der Falle. Nach einer Bestrahlungsdauer von 300 Sekunden hatten, in guter Übereinstimmung mit dem Erwartungswert, (58 ± 6) Prozent der vorhandenen Atome die Falle verlassen.

Das Ergebnis hat zwei Gesichter: Zum einen hat sich gezeigt, dass sich die Energieniveaus von Wasserstoff und Antiwasserstoff nicht unterscheiden. Unter gleichen Bedingungen verhält sich Antiwasserstoff genau so wie normaler Wasserstoff. Eine Verletzung des CPT-Theorems konnten die Experimente nicht belegen. Nach Aussage der Experimentatoren bestätigen ihre Ergebnisse mit einer relativen Genauigkeit von ca. 2 × 10−10 die CPT-Invarianz. Zum anderen hat auch diese Untersuchung die Hoffnung zerschlagen, einen Unterschied im Verhalten der Antimaterie relativ zur Materie aufzudecken. Einen Hinweis, wie es zu der Materie-Antimaterie-Asymmetrie im frühen Universum gekommen sein könnte, hat auch dieses Experiment nicht erbringen können.

 

Personen in dieser Konversation

  • Für den eigentlichen Versuch, also die Anregung des Antiwasserstoffs mit Licht entsprechender Wellenlänge, konnten davon jedoch nur jeweils rund 14 Antiwasserstoffatome in der Falle gehalten werden.

  • Gast - Jörn Müller

    Zu ihrer Frage bezüglich der Darstellung des „Innenlebens“ des Protons: Wie Sie richtig vermuten, symbolisiert die Grafik eine Momentaufnahme des „Innenlebens“ des Protons mit den fortwährend darin ablaufenden Prozessen als da sind:
    • Bildung von Quark/Anti-Quark-Paaren aus Gluonen und deren Vernichtung
    • Entstehung von Quark/Anti-Quark-Paaren aus dem Vakuum und deren Vernichtung
    • Bildung und Zerfall von Gluonen
    • Gluonen-Gluonen-Wechselwirkungen
    Im Wesentlichen verdanken diese Teilchen ihre Entstehung der Heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation ∆E × ∆t ≥ h/2π. Diese in der Quantentheorie fundamentale Beziehung ist die Ursache für die beschriebene Hektik im Proton. Da die sogenannten virtuellen Teilchen wieder annihilieren und somit ihre zur Entstehung benötigte Energie wieder zurückgeben, wird der Energiesatz nicht verletzt. Beispielsweise existiert ein virtuelles Elektron/Positron-Paar maximal 10-22 Sekunden bevor es sich wieder vernichtet. Energie von „außen“ zur Bildung der virtuellen Teilchen ist nicht erforderlich.

    Übrigens: Einen von Ihnen vermuteten „frischen, selbst enstandenen“ Antiwasserstoff hat man bislang nicht gefunden. Soweit ich weiß, kommen nur leichte Antiteilchen, Antineutrinos und Positronen vor, die durch Zerfälle von Teilchen der Höhenstrahlung bzw. beim Beta-Plus-Zerfall entstehen. Für die Existenz der für Antiwasserstoff nötigen Antiprotonen gibt es bislang keinen Hinweis. Gleiches gilt für „alten, selbst enstandenen“ Antiwasserstoff. Sollte es ihn wider Erwarten irgendwo geben, so müsste er, wie auch der normale Wasserstoff, 380.000 Jahre nach dem Urknall, als sich die Strahlung von der Materie entkoppelt hat, entstanden sein und sich bis heute erhalten haben. Mithin dürfte es schwierig sein die gleichen Experimente an „natürlichem“ Antiwasserstoff auszuführen.

    Und dennoch: nichts ist perfekt. Jede Messung ist mit einem, wenn auch noch so kleinen Fehler behaftet. So konnten die Experimente am LHC das Ladung-zu-Masse-Verhältnis von Proton und Antiproton „nur“ innerhalb eines maximalen Fehlers von 69 zu einer Billion als identisch bestätigen. Und wie schon erwähnt haben auch beim Vergleich der Spektrallinien von Wasserstoff und Antiwasserstoff die Experimentatoren zu bedenken gegeben, dass ihre Ergebnisse „nur“ mit einer Genauigkeit von ca. 2 × 10−10 mit der CPT-Invarianz verträglich sind, also nicht zu 100 Prozent. Vielleicht steckt ja hinter diesen winzigen Ungenauigkeiten doch noch eine wie auch immer geartete Diskrepanz zwischen Materie und Antimaterie.

    Anmerkung:
    Die Originalpublikation zum Innenleben des Protons findet man unter https://arxiv.org/pdf/1506.06042.pdf
    Zudem wäre es besser Kommentare in das Forum einzustellen, dann haben alle was davon und können darüber diskutieren.

  • Hallo,
    ich hatte beim Thema: https://www.urknall-weltall-leben.de/news/item/268-die-starke-kernkraft-wissensbox schon gewisse Fragen formuliert, die mir zur Sache im Dunkeln blieben.

    Die ausgeführten Experimente gehen (aus meiner Sicht) immer vom Standardmodell des Urknalls aus. Wie im Beitrag zur starken Kernkraft erwähnt, spricht man im Inneren eines Protons von einem „See“ aus untereinander wechselwirkenden virtuellen Gluonen, Quarks und Antiquarks. Ebenfalls dort erwähnt, taucht immer wieder das Vakuum in Form der Vakuum-Quantenfluktuation auf. Die Innenansicht eines Proton ist daher (auf heutigem Stand des Wissens) wohl von absolut hektischer Aktivität geprägt.

    Die Experimente zur Materie-Antimaterie Asymmetrie nehmen aber quasi „nur“ das Proton bzw. Antiproton respektive Elektron/Anti-Elektron und analysieren die entsprechenden Spektren um dort Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie festzustellen. Verständlich ist dies schon ein schwieriges Unterfangen, trotzdem ist das wohl nur halb gedacht.

    Ich stelle mir das Experiment im Vergleich so vor (der „See“ von der Einleitung/Bezug mit eingebaut):
    Man nimmt fiktiv zwei gleichschwere und optisch gleichgroße Kugeln, schwarz angemalt und wirft beide zeitgleich in einen See und erhofft anhand der Beobachtung der Seeoberfläche und des Eintauchverhaltens festzustellen welche Kugel aus fiktiv Kupfer und welche aus fiktiv Messing war - und beobachtet keine signifikanten Unterschiede. Aus meiner Sicht dürfte dies anhand von Beobachtungen dieser Art gar nicht gelingen und wenn schon dann extrem unpräzise.

    Ich möchte damit ausdrücken, dass es sehr wohl sein kann, dass die „künstlich“ gewonnene Antimaterie sich doch anders verhält als vielleicht frische „selbstentstandene“ Antimaterie.
    Wenn die Vakuum Quantenfluktuation in einem Proton doch so eine nicht unerhebliche Rolle im Proton spielt, dann wird diese auch vermutlich die gleiche ebenfalls nicht unerhebliche Rolle im Antiproton spielen. Vermutlich haben wir hier eine „Störgröße“ im Spielfeld, die vielleicht ähnlich der Quantenverschränkung das Proton und Antiproton an sich auf ein gleiches „Niveau“ zieht und man damit ähnliche Ergebnisse erzielt. Ähnlich wie bei meinem Kugel-in-den-See-werfen Experiment scheint mir die Testumgebung zu diesem Materie-Antimaterie Asymmetrie Experiment quasi zu „flach“ angesetzt.

    Mich würde viel mehr interessieren, welche Rolle denn diese Vakuum-Quantenfluktuation spielt.
    Mir scheint hier liegt viel mehr verborgen, als wir eventuell uns jetzt denken können. Wenn es wirklich so ist, dass im Proton so eine derartige Hektik vorherrscht, wäre für mich einfach wichtig zu klären, was diese Hektik antreibt. Gemäß Energieerhaltungssatz müsste diese Hektik doch irgendwann mal auslaufen - das Proton ist doch kein geschlossenes System. Selbst wenn man es als quasi geschlossen annehmen würde, wäre die Frage zu klären, wer und was generiert zum Beispiel die virtuellen Gluonen die im Proton aufploppen und verschwinden bzw. zerfallen (was ja eben schon mal kein geschlossenes System sein kann). Dies stellt doch quasi eine stetige externe Energieeinspeisung in das Proton (zumindest verstehe ich dies so) dar, auch wenn es in der Summe im Proton an sich Plus-Minus-Null ergibt (von etwaigen temporären Ladungs- bzw. Farbschiebungen abgesehen). Wenn man dann sieht, dass der Löwenanteil der Protonenmasse aus genau dieser Bindungsenergie besteht, kann sehe ich die Vakuum-Quantenfluktuation als kleines Elementarteilchenkraftwerk welches wohl scheinbar von „extern“ (ich will das mal nicht tiefer benennen) befeuert wird.

    Gibt es denn schon Hinweise, was diese Hektik im Proton befeuert?
    Was genau definiert diese Vakuum-Quantenfluktuation? Diese muss ja zum Zeitpunkt des Urknalls (sofern es diesen in der vorgestellten Art überhaupt gab) in wohl gleicher Art auch schon gegeben haben. Oder ist die Vakuum-Quantenfluktuation quasi nur eine Membran zu einem übergeordneten Universum oder anderen Universum und der Urknall nur so etwas wie ein Touchieren zwei „aneinanderliegenden“ Membran, bei der es zu einer Art „Auskristallisierung“ von Materie in der einen oder anderen Membranen Ebene kommt? Das Schwingen der Membranen dann genau diese allgegenwärtige Vakuum Quantenfluktuation verursacht?