imported>Aka K (Halbgeviertstrich) |
imported>Aka K (Halbgeviertstrich, Leerzeichen in Überschrift, Kleinkram) |
||
| Zeile 2: | Zeile 2: | ||
== Fragestellung == | == Fragestellung == | ||
Unser sichtbares Universum besteht überwiegend aus Materie und nur zu einem geringen Bruchteil aus Antimaterie. Beide Materiearten zerstrahlen beim Zusammentreffen unter Energiefreisetzung in einer | Unser sichtbares Universum besteht überwiegend aus Materie und nur zu einem geringen Bruchteil aus Antimaterie. Beide Materiearten zerstrahlen beim Zusammentreffen unter Energiefreisetzung in einer [[Annihilation|Annihilations-Reaktion]]. | ||
* Einerseits gibt es die Möglichkeit anzunehmen, dass diese Asymmetrie eine (zufällige) [[Anfangsbedingung]] des Universums darstellt. | * Einerseits gibt es die Möglichkeit anzunehmen, dass diese Asymmetrie eine (zufällige) [[Anfangsbedingung]] des Universums darstellt. | ||
* Andererseits wäre es aber naheliegender davon auszugehen, dass Materie und Antimaterie zu Beginn des Universums in gleichen Mengen vorlagen und die Asymmetrie erst dynamisch während der Entwicklung des Universums bis zum heutigen Zeitpunkt entstand. Theoretische Modelle, die dies bewerkstelligen, werden unter dem Begriff Baryogenese zusammengefasst. | * Andererseits wäre es aber naheliegender davon auszugehen, dass Materie und Antimaterie zu Beginn des Universums in gleichen Mengen vorlagen und die Asymmetrie erst dynamisch während der Entwicklung des Universums bis zum heutigen Zeitpunkt entstand. Theoretische Modelle, die dies bewerkstelligen, werden unter dem Begriff Baryogenese zusammengefasst. | ||
| Zeile 8: | Zeile 8: | ||
== Sacharows Bedingungen für die Baryonenasymmetrie == | == Sacharows Bedingungen für die Baryonenasymmetrie == | ||
{{Hauptartikel|Sacharowkriterien}} | {{Hauptartikel|Sacharowkriterien}} | ||
[[Andrei Dmitrijewitsch Sacharow|Andrei Sacharow]] erkannte [[1967]] als erster die Bedingungen, die für das Auftreten der Asymmetrie notwendig sind. Unabhängig von ihm fand auch der russische Forscher [[Wadim Alexejewitsch Kusmin]] [[1970]] diese Bedingungen. | [[Andrei Dmitrijewitsch Sacharow|Andrei Sacharow]] erkannte [[1967]] als erster die Bedingungen, die für das Auftreten der Asymmetrie notwendig sind. Unabhängig von ihm fand auch der russische Forscher [[Wadim Alexejewitsch Kusmin]] [[1970]] diese Bedingungen. | ||
Sacharows Arbeiten waren lange Zeit im Westen nicht bekannt. Noch vor ihrem Bekanntwerden veröffentlichte [[Leonard Susskind]] | Sacharows Arbeiten waren lange Zeit im Westen nicht bekannt. Noch vor ihrem Bekanntwerden veröffentlichte [[Leonard Susskind]] mit [[Savas Dimopoulos]] unabhängig eine Theorie der Baryogenese, die zu ähnlichen Schlussfolgerungen kam.<ref>Leonard Susskind, Savas Dimopoulos: Baryon Number of the Universe, Physical Review D. Band 18, 1978, S. 4500.</ref> | ||
Die verschiedenen Theorien unterscheiden sich hinsichtlich der Art und Weise, wie diese Bedingungen im Einzelnen theoretisch erfüllt werden. | Die verschiedenen Theorien unterscheiden sich hinsichtlich der Art und Weise, wie diese Bedingungen im Einzelnen theoretisch erfüllt werden. | ||
=== Nichterhaltung der Baryonenzahl === | === Nichterhaltung der Baryonenzahl === | ||
Die [[Baryonenzahl]] <math>B\!\,</math> darf nicht konstant sein, sondern muss sich im Laufe des [[Urknall]]s ändern. | Die [[Baryonenzahl]] <math>B\!\,</math> darf nicht konstant sein, sondern muss sich im Laufe der Entwicklung des Universums nach dem [[Urknall]]s ändern, das heisst sie wird dynamisch erzeugt. Die Bedingung ist in vielen [[Große vereinheitlichte Theorie|GUT]]s (Große vereinheitlichte Theorie) erfüllt, in denen die Baryonenzahl zum Beispiel beim (bisher nicht beobachteten) [[Protonzerfall]] verletzt wird. | ||
Als Beispiel kann man den hypothetischen Fall des Zerfalls eines schweren Teilchens wie einem [[X-Boson]] in einer GUT betrachten, dessen baryonenverletzende Zerfallsreihen (einmal in zwei Quarks jeweils mit Baryonenzahl 1/3), einmal in ein Antiquark (Baryonenzahl -1/3) und ein Lepton (Baryonenzahl 0) zerfällt:<ref>Dieses Beispiel mit willkürlich, nur den Vorgang illustrierenden Wahrscheinlichkeiten findet sich in David Cline, Ursprung der Materie, Spektrum der Wissenschaft, November 2004, Kasten S. 36</ref> | |||
::51 %: X-Boson → up-[[Quark (Physik)|Quark]] + up-Quark | ::51 %: X-Boson → up-[[Quark (Physik)|Quark]] + up-Quark | ||
| Zeile 23: | Zeile 23: | ||
:<math>\Rightarrow B\!\,</math> = 0,51 × (+2/3) + 0,49 × (−1/3) = +0,177 | :<math>\Rightarrow B\!\,</math> = 0,51 × (+2/3) + 0,49 × (−1/3) = +0,177 | ||
:Das Antiteilchen des X-Bosons zerfällt dagegen | :Das Antiteilchen des X-Bosons zerfällt dagegen mit leicht unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten: | ||
::49 %: Anti X-Boson → Anti up-Quark + Anti up-Quark | ::49 %: Anti X-Boson → Anti up-Quark + Anti up-Quark | ||
| Zeile 29: | Zeile 29: | ||
:<math>\Rightarrow B\!\,</math> = 0,49 × (-2/3) + 0,51 × (+1/3) = −0,157 | :<math>\Rightarrow B\!\,</math> = 0,49 × (-2/3) + 0,51 × (+1/3) = −0,157 | ||
Auch schon innerhalb des Standardmodells gibt es einen möglichen Mechanismus der Verletzung der Baryonenzahl durch die hypothetische [[Sphaleron]]-Wechselwirkung zwischen Quarks und [[Lepton]]en. | |||
=== | === Brechung von C- und CP-Symmetrie === | ||
Die C- und CP-[[Symmetrie (Physik)|Symmetrien]] zwischen [[Teilchen]] und [[Antiteilchen]] müssen gebrochen werden ([[Symmetriebrechung]]). Der Grund liegt darin, dass der Baryonenzahloperator sich ungerade unter C und CP verhält (er wechselt das Vorzeichen). | |||
Zurzeit sind nur sehr schwache [[CP-Verletzung]]en bekannt (in der Theorie als komplexe Phase in der [[CKM-Matrix]]), die das Vorhandensein der Baryonenasymmetrie noch nicht erklären können. Die CP-Symmetrie (C für engl. ''charge'' [[Elektrische Ladung|Ladung]]; P für ''parity'' [[Parität (Physik)|Parität]], wobei links- und rechtshändige Chiralität unterschieden wird) beschreibt einen Verlauf, bei dem ein Teilchen in ein Antiteilchen (oder umgekehrt) verwandelt wird und die Parität (die Raumorientierung) sich ändert. Auch C- und P-Symmetrie und – da insgesamt [[CPT-Theorem|CPT-Symmetrie]] herrscht – mit der CP auch die T-Symmetrie sind im schwachen Sektor des Standardmodells verletzt. Die C-Symmetrie beschreibt den Übergang von Teilchen zu Antiteilchen. Im geladenen Sektor der schwachen Wechselwirkung (über geladene [[W-Boson]]en vermittelt) wechselwirken aber nur linkshändige Fermionen und ihre rechtshändigen Antiteilchen miteinander, die C- und die P-Symmetrie sind einzeln gebrochen (nur die kombinierte CP-Symmetrie ist bis auf die erwähnten im [[Kaon]]system entdeckten Ausnahmen erhalten). | |||
Eine weitere Möglichkeit zur Baryogenese wäre eine direkte Teilchen-Antiteilchen-Asymmetrie (gebrochene C-Symmetrie) etwa wenn sich die Massen oder andere Eigenschaften von Proton und Antiproton auch nur um einen geringen Wert unterscheiden würden (sie annihilieren sich dann nicht vollständig), was aber bisher nicht gefunden wurde. | |||
=== Thermisches Ungleichgewicht === | === Thermisches Ungleichgewicht === | ||
Es muss zu | Es muss zu einer Abweichung vom [[Thermisches Gleichgewicht|thermischen Gleichgewicht]] kommen, denn sonst würde durch die bei den hohen Dichten und Energien des frühen Universums mit gleicher Rate ablaufende umgekehrte Reaktion keine Baryonenzahl ungleich Null erzeugt. Nur wenn die [[Expansion des Universums|Expansion]] des Universums mit vergleichbarer Rate erfolgt – beschrieben durch die zeitlich veränderliche [[Hubble-Konstante]] <math>H</math> – wie die Reaktionsraten <math>\Gamma_{A, i}</math> der baryonenzahlverletzenden Reaktionen eines Teilchens A (etwa dem Zerfall eines schweren X-Bosons in einer der GUTs) kommt es zur Bildung von Baryonen. Solange | ||
:<math>\Gamma_{A, i} \geq H </math> | |||
sind die Reaktionen noch im thermischen Gleichgewicht und es gibt keine Baryogenese. Sie findet erst statt falls die durch H beschriebene Ausdehnung des Universums so schnell ist, dass die umgekehrte Reaktion mit sehr viel geringerer Wahrscheinlichkeit stattfindet zum Beispiel weil die Dichte der beteiligten Ausgangsteilchen zu gering ist oder ihre Energie zu niedrig (die Reaktionsrate <math>\Gamma = \sigma \, v \, \rho</math> hängt von Wirkungsquerschnitt <math>\sigma</math>, Relativgeschwindigkeit der Teilchen <math>v</math> (also der Energie) und Dichte <math>\rho</math> ab). Das gilt für: | |||
:<math> \Gamma_{A, i} < H</math> | |||
Ein weiterer Punkt ist die Art des [[Phasenübergang]]s bei der Baryogenese. Er sollte erster Art sein damit sich die Bubble mit den schon gebildeten Baryonen vereinigen ähnlich dem Übergang Gas-Flüssigkeit, wo der kühleren flüssigen Phase die Baryonen-Phase entspricht. Bei einem Phasenübergang zweiter Art findet dagegen ein kontinuierlicher Übergang statt. Aus diesem Grund wird ein Sphaleron-Übergang nach dem üblichen kosmologischen Szenario mit Kopplung an einen elektroschwachen Symmetriebruch ausgeschlossen, da dieser nur bis 73 GeV Masse des [[Higgsteilchen]]s 1. Art ist, das Higgsteilchen aber 123 GeV Masse besitzt. Sphaleronen werden aber weiterhin in Szenarien jenseits des Standardmodells für die Baryogenese diskutiert. | |||
== Leptogenese == | == Leptogenese == | ||
Einige neuere Theorien zur Entstehung der Baryonenasymmetrie favorisieren statt einer direkten Verletzung der Baryonenasymmetrie die [[Leptogenese]] (Masataka Fukugita, [[Tsutomu Yanagida]] 1986).<ref>Wilfried Buchmüller, Roberto Peccei, Tsutomu Yanagida: Leptogenesis as the origin of matter. In: Annual Review of Particle and Nuclear Physics, Band 55, 2005, S. 311–355</ref> Hier wird die Asymmetrie zunächst zwischen Leptonen und Antileptonen erzeugt und dann durch Sphaleron-Prozesse in die Baryonenasymmetrie konvertiert. Eine weitere Theorie der Leptogenese über den Zerfall von sterilen [[Majorana-Teilchen|Majorana]]-Neutrinos (und anschließender Baryogenese über Sphaleronen) entwickelte [[Wilfried Buchmüller]] mit Kollegen in den 1990er Jahren. | |||
== Literatur == | == Literatur == | ||
* Spektrum der Wissenschaft | * James M. Cline: ''Der Ursprung der Materie''. In: Spektrum der Wissenschaft. November, 2004, S- 32–41 | ||
* | * [[Mikhail Shaposhnikov|M.E. Shaposhnikov]]: ''Electroweak baryogenesis'', Contemporary Physics, 1998, Band 39, S. 177 | ||
== Einzelnachweise == | |||
<references /> | |||
[[Kategorie:Teilchenphysik]] | [[Kategorie:Teilchenphysik]] | ||
[[Kategorie:Kosmologie (Physik)]] | [[Kategorie:Kosmologie (Physik)]] | ||
Die Baryogenese ist die Theorie zur dynamischen Entstehung (griech. Genese) der Baryonenasymmetrie, d. h. des Ungleichgewichts von Materie (Baryonen) und Antimaterie (Antibaryonen) im Universum. Auf die Baryogenese folgte die weitaus besser verstandene primordiale Nukleosynthese.
Unser sichtbares Universum besteht überwiegend aus Materie und nur zu einem geringen Bruchteil aus Antimaterie. Beide Materiearten zerstrahlen beim Zusammentreffen unter Energiefreisetzung in einer Annihilations-Reaktion.
Andrei Sacharow erkannte 1967 als erster die Bedingungen, die für das Auftreten der Asymmetrie notwendig sind. Unabhängig von ihm fand auch der russische Forscher Wadim Alexejewitsch Kusmin 1970 diese Bedingungen.
Sacharows Arbeiten waren lange Zeit im Westen nicht bekannt. Noch vor ihrem Bekanntwerden veröffentlichte Leonard Susskind mit Savas Dimopoulos unabhängig eine Theorie der Baryogenese, die zu ähnlichen Schlussfolgerungen kam.[1]
Die verschiedenen Theorien unterscheiden sich hinsichtlich der Art und Weise, wie diese Bedingungen im Einzelnen theoretisch erfüllt werden.
Die Baryonenzahl $ B\!\, $ darf nicht konstant sein, sondern muss sich im Laufe der Entwicklung des Universums nach dem Urknalls ändern, das heisst sie wird dynamisch erzeugt. Die Bedingung ist in vielen GUTs (Große vereinheitlichte Theorie) erfüllt, in denen die Baryonenzahl zum Beispiel beim (bisher nicht beobachteten) Protonzerfall verletzt wird.
Als Beispiel kann man den hypothetischen Fall des Zerfalls eines schweren Teilchens wie einem X-Boson in einer GUT betrachten, dessen baryonenverletzende Zerfallsreihen (einmal in zwei Quarks jeweils mit Baryonenzahl 1/3), einmal in ein Antiquark (Baryonenzahl -1/3) und ein Lepton (Baryonenzahl 0) zerfällt:[2]
Auch schon innerhalb des Standardmodells gibt es einen möglichen Mechanismus der Verletzung der Baryonenzahl durch die hypothetische Sphaleron-Wechselwirkung zwischen Quarks und Leptonen.
Die C- und CP-Symmetrien zwischen Teilchen und Antiteilchen müssen gebrochen werden (Symmetriebrechung). Der Grund liegt darin, dass der Baryonenzahloperator sich ungerade unter C und CP verhält (er wechselt das Vorzeichen).
Zurzeit sind nur sehr schwache CP-Verletzungen bekannt (in der Theorie als komplexe Phase in der CKM-Matrix), die das Vorhandensein der Baryonenasymmetrie noch nicht erklären können. Die CP-Symmetrie (C für engl. charge Ladung; P für parity Parität, wobei links- und rechtshändige Chiralität unterschieden wird) beschreibt einen Verlauf, bei dem ein Teilchen in ein Antiteilchen (oder umgekehrt) verwandelt wird und die Parität (die Raumorientierung) sich ändert. Auch C- und P-Symmetrie und – da insgesamt CPT-Symmetrie herrscht – mit der CP auch die T-Symmetrie sind im schwachen Sektor des Standardmodells verletzt. Die C-Symmetrie beschreibt den Übergang von Teilchen zu Antiteilchen. Im geladenen Sektor der schwachen Wechselwirkung (über geladene W-Bosonen vermittelt) wechselwirken aber nur linkshändige Fermionen und ihre rechtshändigen Antiteilchen miteinander, die C- und die P-Symmetrie sind einzeln gebrochen (nur die kombinierte CP-Symmetrie ist bis auf die erwähnten im Kaonsystem entdeckten Ausnahmen erhalten).
Eine weitere Möglichkeit zur Baryogenese wäre eine direkte Teilchen-Antiteilchen-Asymmetrie (gebrochene C-Symmetrie) etwa wenn sich die Massen oder andere Eigenschaften von Proton und Antiproton auch nur um einen geringen Wert unterscheiden würden (sie annihilieren sich dann nicht vollständig), was aber bisher nicht gefunden wurde.
Es muss zu einer Abweichung vom thermischen Gleichgewicht kommen, denn sonst würde durch die bei den hohen Dichten und Energien des frühen Universums mit gleicher Rate ablaufende umgekehrte Reaktion keine Baryonenzahl ungleich Null erzeugt. Nur wenn die Expansion des Universums mit vergleichbarer Rate erfolgt – beschrieben durch die zeitlich veränderliche Hubble-Konstante $ H $ – wie die Reaktionsraten $ \Gamma _{A,i} $ der baryonenzahlverletzenden Reaktionen eines Teilchens A (etwa dem Zerfall eines schweren X-Bosons in einer der GUTs) kommt es zur Bildung von Baryonen. Solange
sind die Reaktionen noch im thermischen Gleichgewicht und es gibt keine Baryogenese. Sie findet erst statt falls die durch H beschriebene Ausdehnung des Universums so schnell ist, dass die umgekehrte Reaktion mit sehr viel geringerer Wahrscheinlichkeit stattfindet zum Beispiel weil die Dichte der beteiligten Ausgangsteilchen zu gering ist oder ihre Energie zu niedrig (die Reaktionsrate $ \Gamma =\sigma \,v\,\rho $ hängt von Wirkungsquerschnitt $ \sigma $, Relativgeschwindigkeit der Teilchen $ v $ (also der Energie) und Dichte $ \rho $ ab). Das gilt für:
Ein weiterer Punkt ist die Art des Phasenübergangs bei der Baryogenese. Er sollte erster Art sein damit sich die Bubble mit den schon gebildeten Baryonen vereinigen ähnlich dem Übergang Gas-Flüssigkeit, wo der kühleren flüssigen Phase die Baryonen-Phase entspricht. Bei einem Phasenübergang zweiter Art findet dagegen ein kontinuierlicher Übergang statt. Aus diesem Grund wird ein Sphaleron-Übergang nach dem üblichen kosmologischen Szenario mit Kopplung an einen elektroschwachen Symmetriebruch ausgeschlossen, da dieser nur bis 73 GeV Masse des Higgsteilchens 1. Art ist, das Higgsteilchen aber 123 GeV Masse besitzt. Sphaleronen werden aber weiterhin in Szenarien jenseits des Standardmodells für die Baryogenese diskutiert.
Einige neuere Theorien zur Entstehung der Baryonenasymmetrie favorisieren statt einer direkten Verletzung der Baryonenasymmetrie die Leptogenese (Masataka Fukugita, Tsutomu Yanagida 1986).[3] Hier wird die Asymmetrie zunächst zwischen Leptonen und Antileptonen erzeugt und dann durch Sphaleron-Prozesse in die Baryonenasymmetrie konvertiert. Eine weitere Theorie der Leptogenese über den Zerfall von sterilen Majorana-Neutrinos (und anschließender Baryogenese über Sphaleronen) entwickelte Wilfried Buchmüller mit Kollegen in den 1990er Jahren.