Baryogenese

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.

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 sogenannten Annihilations-Reaktion.

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.

Sacharows Bedingungen für die Baryonenasymmetrie

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 eigene Theorien der Baryogenese.

Die verschiedenen Theorien unterscheiden sich hinsichtlich der Art und Weise, wie diese Bedingungen im Einzelnen theoretisch erfüllt werden.

Nichterhaltung der Baryonenzahl

Die Baryonenzahl $B\!\,$ darf nicht konstant sein, sondern muss sich im Laufe des Urknalls ändern.

Erfüllung: In der GUT (Große vereinheitlichte Theorie) gibt es zwei Arten, wie ein schweres X-Boson zerfallen könnte. Beide Zerfallsreihen treten jedoch mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten auf, wodurch sich die Baryonenzahl ändert:

51 %: X-Boson → up-Quark + up-Quark

49 %: X-Boson → Anti down-Quark + Positron

\Rightarrow B\!\,

= 0,51 × (+2/3) + 0,49 × (−1/3) = +0,177

Das Antiteilchen des X-Bosons zerfällt dagegen wie folgt:

49 %: Anti X-Boson → Anti up-Quark + Anti up-Quark

51 %: Anti X-Boson → down-Quark + Elektron

\Rightarrow B\!\,

= 0,49 × (-2/3) + 0,51 × (+1/3) = −0,157

Diese Verletzung der Baryonenzahl kann durch die sogenannte Sphaleron-Wechselwirkung zwischen Quarks und Leptonen erklärt werden.

Symmetriebrechung

Zwei Symmetrien zwischen Teilchen und Antiteilchen müssen gebrochen werden.

Erfüllung: Zurzeit sind nur sehr schwache CP-Verletzungen bekannt, die das Vorhandensein der Baryonenasymmetrie noch nicht erklären können. Die CP-Symmetrie (C für engl. charge Ladung; P für parity Parität) beschreibt einen Verlauf, bei dem ein Teilchen in ein Antiteilchen (oder umgekehrt) verwandelt wird und die Parität (die Raumorientierung) sich ändert. Lässt sich dieser Verlauf nicht eindeutig umkehren, so spricht man von einer Symmetriebrechung.

Thermisches Ungleichgewicht

Es muss zu einem Verlust des thermischen Gleichgewichts kommen.

Erfüllung: Das Universum kühlt durch seine Expansion ab. Dadurch können nicht mehr alle Reaktionen mit gleicher Wahrscheinlichkeit ablaufen, und zwei Quarks haben nicht mehr die nötige Energie, um ein X-Boson zu erzeugen.

Leptogenese

Neuere Theorien zur Entstehung der Baryonenasymmetrie favorisieren die Leptogenese. Hier wird die Asymmetrie zunächst zwischen Leptonen und Antileptonen erzeugt und dann durch so genannte Sphaleron-Prozesse in die Baryonenasymmetrie konvertiert.

Literatur

Spektrum der Wissenschaft, James M. Cline, November 2004, Seite 32–41
Electroweak baryogenesis von M.E. Shaposhnikov, Contemporary Physics, 1998, Band 39 Seite 177