Unausgewogener B-Mesonen-Zerfall

Die Belle-Kollaboration findet möglichen Hinweis auf neue Physik, mit der sich der Materieüberschuss im Universum erklären ließe.

Es ist eines der ungelösten Rätsel der Kosmologie, warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt. Folgt man den anerkannten Theorien, so sollten unmittelbar nach dem Urknall und der kosmischen Inflation die Materie und die Antimaterie noch in gleicher Häufigkeit vorhanden gewesen sein. Doch dann hat sich das Gleichgewicht zugunsten der Materie verschoben, und nachdem sich alle Antimaterie mit Materie zerstrahlt hatte, blieb der Materierest übrig, aus dem Galaxien, Sterne und Planeten bestehen. Dieser fundamentalen Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie sind zwei große Teilchenbeschleuniger, sogenannte B-Mesonen-Fabriken, in den USA und in Japan auf der Spur. Die Belle-Kollaboration am japanischen KEK-Beschleuniger hat jetzt überraschende Resultate gefunden, die neue Fragen aufwerfen.

Dass sich Materie und Antimaterie tatsächlich unterschiedlich verhalten, zeigt die Verletzung der CP-Symmetrie bei der schwachen Wechselwirkung. Wenn man den Zerfall eines Elementarteilchens oder die Umwandlung zweier kollidierender Teilchen in andere Partikel in einem Spiegel betrachtet, so sieht man einen gespiegelten Prozess, der nicht notwendigerweise in der Natur vorkommt. Ein Prozess, dessen Spiegelung nicht real ist, verletzt die Paritäts- oder P-Symmetrie. Die Paritätsverletzung wurde erstmals 1956 beim Betazerfall von Kobaltatomen beobachtet. Sie geht darauf zurück, dass alle Neutrinos linkshändig und alle Antineutrinos rechtshändig sind. Bei Spiegelung erhielte man rechtshändige Neutrinos und linkshändige Antineutrinos, die in der Natur nicht vorkommen.

Das Beispiel der Neutrinos legt aber die Vermutung nahe, dass man aus einem Prozess durch Spiegelung mit anschließender Vertauschung aller Teilchen gegen ihre Antiteilchen wieder einen realen Prozess erhalten könnte. Die Kombination von Paritätsoperation P und Ladungskonjugation C wandelt z. B ein linkshändiges Neutrino in ein reales rechtshändiges Antineutrino um. Doch seit 1964 weiß man, dass auch die CP-Symmetrie verletzt ist. So wandeln sich das neutrale Kaon K⁰ und sein Antiteilchen Anti-K⁰ ineinander um, doch mit unterschiedlicher Geschwindigkeit.

Auch B-Mesonen verletzen die CP-Symmetrie, allerdings nicht indirekt bei der Umwandlung von Teilchen in Antiteilchen, sondern beim Zerfall in andere Partikel. Da sich diese direkte CP-Verletzung besser beobachten lässt, hat man in den USA am SLAC und in Japan am KEK gigantische B-Mesonen-Fabriken gebaut, die durch Kollision von Elektronen und Positronen B-Mesonen in großer Zahl herstellen können. So hat die Belle-Kollaboration am KEK inzwischen 535 Millionen Paare von B-Mesonen und ihren Antiteilchen produziert und deren Zerfall analysiert. Es gibt neutrale und geladene B-Mesonen: B⁰ und B⁺ sowie ihre Antiteilchen Anti-B⁰ und B ^– . Zunächst hat man die CP-verletzenden Zerfälle der ungeladenen Mesonen untersucht. Die Forscher identifizierten 2241±57 Zerfälle, bei denen sich ein B⁰ in ein K⁺ und ein pi­ ^– umwandelte, jedoch nur 1856±52 Zerfälle von Anti-B⁰ in K ^– und pi ⁺ . Daraus berechnen sie eine CP-verletzende Zerfallsasymmetrie von –0,09. Die Wahrscheinlichkeit, dass keine Asymmetrie vorliegt, beträgt 1,8 × 10 ^-6 . Damit ist diese schon früher beobachtete CP-Verletzung zweifelsfrei nachgewiesen.

Die Belle-Kollaboration ging noch einen Schritt weiter und analysierte auch die CP-verletzenden Zerfälle der geladenen B-Mesonen. So kann B⁺ in K⁺ und pi⁰ zerfallen, B^– hingegen in K^– und pi ⁰ . Die CP-Verletzung sollte bei der Umwandlung bestimmter Quarks stattfinden, wobei aus einem B- ein K-Meson wird. Die Entstehung der Pionen sollte bei der CP-Verletzung keine Rolle spielen. Deshalb würde man erwarten, dass wie zuvor schon bei den ungeladenen B-Mesonen auch bei den geladenen B-Mesonen der Zerfall in K ⁺ häufiger ist als der in K ^– . Doch das ist nicht der Fall: Bei den geladenen B-Mesonen wird die CP-Symmetrie gewissermaßen in die entgegengesetzte Richtung verletzt als bei den ungeladenen B-Mesonen. Die CP-verletzende Asymmetrie beträgt hier +0,07. Diese Unausgewogenheit der CP-Verletzung lässt sich mit dem Standardmodell der Elementarteilchen nur schwer in Einklang bringen. Das Standardmodell war schon vorher in Schwierigkeiten geraten. Es gestattet zwar eine CP-Verletzung, doch deren Stärke reicht bei weitem nicht aus, um die Dominanz der Materie über die Antimaterie im Universum zu erklären. Die jetzt am KEK gefundenen Resultate zeigen, dass mehr hinter der CP-Verletzung stecken könnte, als man bisher gedacht hatte.

Rainer Scharf

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:The Belle Collaboration: Difference in direct charge-parity violation between charged and neutral B meson decays. Nature 452 , 332 (2008)
  http://dx.doi.org/10.1038/nature06827
  http://www.nature.com/nature/journal/v452/n7185/suppinfo/nature06827.html

• Belle-Kollaboration am KEK:
  http://belle.kek.jp/

• Babar-Kollaboration am SLAC:
  http://www-public.slac.stanford.edu/babar/

• Wie die Pinguin-Diagramme zu ihrem Namen kamen:
  http://en.wikipedia.org/wiki/Feynman_diagram

Weitere Literatur:

• Michael E. Peskin: Song of the electroweak penguin. Nature 452 , 293 (2008)
  http://dx.doi.org/10.1038/452293a

• B. Aubert et al: Observation of CP Violation in B ⁰ K ^{+ -} and B ^{0 + -} . Phys. Rev. Lett. 99 , 021603 (2007)
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.021603
  http://arxiv.org/abs/hep-ex/0703016

• B. Aubert et al.: Study of B0 -> pi0 pi0, B -> pi pi⁰, and B -> K pi⁰ Decays, and Isospin Analysis of B -> pipi Decays. Phys. Rev. D 76 , 091102(R) (2007)
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevD.76.091102
  http://arxiv.org/abs/0707.2798