Zeitasymmetrie erstmals direkt nachgewiesen

  • 23. November 2012

Daten des BaBar-Experiments zeigen mit 14 Sigma: Die Uhren von B-Mesonen laufen rückwärts anders als vorwärts.

Die Gemeinde der Teilchenphysiker hatte es zwar schon länger vermutet. Dass die Nachricht schon diese Woche gekommen ist, dürfte aber dennoch einige überrascht haben: Die Zeitsymmetrie ist gefallen. Die Wissenschaftler der BaBar-Kollaboration haben ihren Detektor mittlerweile offenbar so gut verstanden, dass sie dies aus ihren in zehn Jahren gesammelten Daten nun deutlich herauslesen konnten.

Bei Elektron-Positron-Kollisionen entstehen unter anderem Υ(4s)-Resonanzen, die zu verschränkten B-Mesonen zerfallen

Abb.: Bei Elektron-Positron-Kollisionen entstehen unter anderem ϒ(4s)-Resonanzen, die zu verschränkten B-Mesonen zerfallen. Obere und untere Bildhälfte zeigen die beiden untersuchten Zerfallskanäle. Wenn ein B-Meson zu t1 zerfällt, ist das andere auch ohne spezifische Messung festgelegt. Wenn dieses dann später zu t2 über einen anderen Kanal zerfällt, lassen sich die Raten vergleichen, mit denen sich die verschiedenen B-Meson-Zustände ineinander umwandeln. (Bild: M. Zeller / Yale U.)

Die Zeitsymmetrie gehört mit der Ladungskonjugation und der Parität zu den grundlegenden Symmetrien der Physik. Zusammen ergeben diese drei das berühmte CPT-Theorem. Ihm zufolge gehorchen alle natürlichen Prozesse exakt den gleichen Gesetzen, wenn man sie spiegelverkehrt und in umgekehrter zeitlicher Abfolge ablaufen lässt und dabei die Teilchen gegen die Antiteilchen austauscht. Das CPT-Theorem ist ein Grundpfeiler der heutigen Quantenfeldtheorien. Es beruht unter anderem darauf, dass diese Theorien invariant gegenüber lokalen Lorentz-Transformation sind, also der lokalen Gültigkeit der Speziellen Relativitätstheorie. Zwar ist das CPT-Theorem im Rahmen der heutigen experimentellen Möglichkeiten bestens bestätigt, allerdings gibt es Ansätze in der String- und Quantengravitationstheorie, die es verletzen.

Die elektromagnetische und die starke Wechselwirkung gehorchen jeweils den drei einzelnen Symmetrien und damit auch jeder Kombination von ihnen. Von der schwachen Wechselwirkung hingegen ist spätestens seit dem berühmten Experiment von Chien-Shiung Wu 1956 bekannt, dass sie die Parität verletzt. Da es nur linkshändige Neutrinos und rechtshändige Antineutrinos gibt, verletzt die schwache Wechselwirkung auch die Ladungskonjugation. Man vermutete deshalb, zumindest die Kombination dieser beiden Symmetrien, kurz CP, sei erhalten. Denn eine Verletzung dieser Symmetrie verlangt entweder einen asymmetrischen quantenphysikalischen Zeitpfeil oder kippt das CPT-Theorem.

Die CP-Verletzung wurde jedoch einige Jahre später experimentell nachgewiesen. Sie beruht auf den Massenmischungen schwerer Quarks, wie sie die Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix ausdrückt. Quantentheoretiker forderten deshalb auch eine Verletzung der Zeitsymmetrie. Die ist aber experimentell notorisch schwierig direkt zu messen, da Prozesse mit gleichzeitiger CP-Verletzung zu vermeiden sind. Die BaBar-Kollaboration suchte also nach Prozessen, bei denen der Anfangs- und der Endzustand nicht CP-konjugiert waren, so dass nur die Zeitentwicklung für den Übergang verantwortlich war.

Die als B-Fabriken bekannten Detektoren BaBar am amerikanischen SLAC und Belle am KEK in Japan besitzen die nötigen Voraussetzungen für solche Experimente. Sie produzieren über die sogenannte ϒ(4s)-Resonanz, einem angeregten Zustand aus Bottom-Quarks, große Mengen an verschränkten B-Meson-Paaren, die aus je einem Quark und einem Antiquark bestehen. Diese B-Fabriken dienen speziell den Untersuchungen der CP-Verletzung, um den Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie in unserem Universum besser zu verstehen. 2002 konnte BaBar leichte Unterschiede zwischen B-Mesonen und ihren Antiteilchen nachweisen, was auf CP-Verletzung hinweist.

Ein Techniker arbeitet im BaBar-Detektor

Abb.: Ein Techniker arbeitet im BaBar-Detektor. (Bild: Stanford U.)

Die Erzeugung der B-Mesonen geschah über den großen Wirkungsquerschnitt für ϒ(4s)-Resonanzen bei einer Schwerpunktsenergie von 10,58 Gigaelektronenvolt am Beschleuniger PEP-II des SLAC. Elektronen von 9 GeV annihilieren dort mit Positronen von 3,1 GeV, was der Schwerpunktsenergie im Ruhesystem entspricht, während die entstehenden, kurzlebigen ϒ(4s)-Resonanzen eine kinetische Restenergie besitzen und so brav im Detektor landen.

Die aus diesen Teilchen erzeugten B-Mesonen-Paare können verschiedene Zustände annehmen und über verschiedene Kanäle zerfallen. Entscheidend für den Nachweis der Zeitasymmetrie ist nun die Tatsache, dass beim Zerfall des ϒ(4s) die beiden entstehenden Mesonen in einem verschränkten antisymmetrischen Zustand vorliegen, der sich über die Zeit ändern kann. Die mit diesen Zuständen assoziierten Zerfallskanäle unterteilen sich in solche, die einem CP-Eigenzustand entsprechen, und solchen, die eine Identifizierung des Flavors erlauben.

Im ersten Fall entstehen ein J/ψ sowie ein Kaon, im zweiten Fall ein Lepton sowie ein weiteres Zerfallsprodukt. Um die Zeitsymmetrie zu untersuchen, maßen die Wissenschaftler nun diejenigen Zustände, bei denen eines der B-Mesonen in einen CP-Eigenzustand und das andere in einen Flavor-Zustand zerfiel, bei denen sich also eines der beiden B-Mesonen in einen anderen Zustand umgewandelt hatte. Indem sie die Zeit zwischen beiden Zerfällen maßen, konnten sie die Übergangswahrscheinlichkeiten zwischen diesen Zuständen bestimmen. Es stellte sich heraus, dass der Wechsel in einer Richtung sechsfach häufiger auftrat als in der anderen. Da beide Zustände nur T- und nicht CP-konjugiert sind, folgt hieraus die Verletzung der Zeitsymmetrie mit einer Signifikanz von 14 Sigma. Dies ein deutliches Zeichen dafür, wie gut die BaBar-Daten mittlerweile verstanden sind. Bereits ab fünf Sigma spricht man von einer Entdeckung.

Möglich wurde diese Entdeckung dadurch, dass die Wissenschaftler erstmals in ihren Daten zugleich die CP- und die Flavor-Zustände identifizieren konnten. Es sind also keine neuen Messungen – der Betrieb wurde 2008 eingestellt –, sondern es war eine neue Analysemethode, die den Durchbruch brachte. Damit hat die schwache Wechselwirkung wieder ihrem Ruf alle Ehre gemacht, sich von keiner Symmetrie etwas vorschreiben zu lassen.

Dirk Eidemüller

OD

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