Die Suche nach der fehlenden Antimaterie im Universum bleibt in einem ärgerlichen Zustand der Unsicherheit

Die Forscher folieren die Seiten eines hochempfindlichen Detektors, der Licht einfangen soll

Die ersten Teilchen im Universum bildeten sich, nachdem ein heißer und dichter Klumpen explodiert war. Physiker glauben, dass unter den extremen Bedingungen des Urknalls Licht zu Materie wurde: Elektronen, Protonen und Neutronen, die später Teil von uns wurden.

Die Physiker sind sich jedoch nicht sicher, wie genau eine solche Transformation stattgefunden hat. In den 90er Jahren zeigten Physiker, dass sie Licht in Materie umwandeln können, indem sie zwei Strahlen extrem hoher Energie kollidieren. Sie fanden auch heraus, dass Licht gleichzeitig eine gleiche Menge Antimaterie erzeugt. Die allerersten Materieteilchen sollten sich mit ihren Verwandten aus dem Bereich Antimaterie und Vernichtung treffen. Eine Explosion - und es gibt keine Materie mehr.

Aber natürlich gibt es Materie. Aus irgendeinem Grund hat sich nach dem Urknall mehr Materie als Antimaterie gebildet, und die Physiker wissen nicht warum. "Dies ist eines der größten Geheimnisse des Universums", sagt der Physiker Don Lincoln von Fermilab .

In den letzten 50 Jahren haben sie in Labors und in Gleichungen nach Prozessen gesucht, die mehr Materie als Antimaterie produzieren. Ein Kandidat: ein vorhergesagter radioaktiver Prozess, bei dem zwei Neutronen in zwei Protonen in einem Atom umgewandelt werden. Theoretiker glauben, dass bei diesem als neutrinoloser Doppel-Beta-Zerfall bekannten Prozess zwei Elektronen und keine Antimaterie entstehen. Im Universum erscheinen zwei neue Materiestücke, die von Detektoren erkannt werden sollten. Wenn dieser Prozess einige Male nach dem Urknall passiert ist, kann er erklären, woher diese zusätzliche Angelegenheit kam.

Aber hier ist der Haken: Niemand hat jemals gesehen, wie aus zwei Neutronen zwei Protonen wurden. Aus früheren Experimenten und Berechnungen geht hervor, dass dieser Prozess am wahrscheinlichsten in bestimmten Atomen auftritt, beispielsweise in den Atomen von Germanium und Xenon. Wenn zwei Neutronen in einem Germaniumatom zu Protonen werden, verwandelt sich das Atom in ein neues Element, Selen. In einem kürzlich in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Artikel berechnen Forscher anhand der Daten ihres überempfindlichen Detektors, dass es mehr als 10 bis ²⁵ Jahre dauert, bis die Hälfte eines Germaniumkristalls durch einen solchen Zerfall zu Selen wird. Dies ist eine Billiarde Mal so alt wie das Universum. "Dies ist tatsächlich ein sehr seltenes Ereignis", sagte der Physiker Peter Grabmayr, einer der Teilnehmer am Germanium Detector Array (GERDA) -Experiment und einer der Autoren der Arbeit.



Grabmeir hat keine Angst vor solchen Chancen. Um zu bestätigen, dass ein solcher Prozess stattfindet, ist es nicht erforderlich, die Hälfte des Kristalls in Selen umzuwandeln. Es ist notwendig, den Zerfall von nur wenigen Atomen zu erfassen. Wenn sich ein Atom aus seinem 36-Pfund-Kristall aus Germanium in Selen verwandelt, kann es die Energie von zwei Elektronen erfassen, die bei einer Kollision mit einem Detektor wie Licht aussehen. Um zu verhindern, dass andere Strahlungsquellen wie kosmische Strahlung den Detektor beeinflussen, wurde ein Germaniumkristall in einen Tank mit flüssigem Argon in einer Tiefe von 1400 Metern unter einem Berg in Mittelitalien gegeben.

Die Möglichkeit bleibt, dass sie diesen Prozess niemals entdecken werden, wie Lincoln sagt. "Aber das ist nur eine Meinung", sagt er. - Ich würde ihn nicht unterstützen. Es würde mich nicht wundern, wenn ein solches Experiment meine Intuition widerlegen würde. "

In der Zwischenzeit erforschen Physiker andere Prozesse, die erklären können, dass das Universum aus Materie besteht. Insbesondere wollen sie alle Unterschiede zwischen Antimaterie und Materie herausfinden, da jede Diskrepanz erklären kann, warum sich ihr Schicksal im frühen Universum als unterschiedlich herausstellte. Im vergangenen Dezember wurden im Alpha-Experiment am CERN die Anti-Wasserstoff-Eigenschaften gemessen, es wurden jedoch keine unerwarteten Unterschiede zu Wasserstoff festgestellt. Im Januar entdeckte das Beauty-Experiment am Large Hadron Collider, dass beim Zerfall eines Partikels namens Lambda-Baryon seine Zerfallsprodukte nicht in Winkeln wie seinem Gegenstück zur Antimaterie auseinander fliegen.

In den nächsten zehn Jahren plant Fermilab den Bau eines 1300 km langen unterirdischen Teilchenbeschleunigers von Illinois nach South Dakota - das Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) [Deep Underground Experiment mit Neutrinos]. Das Ziel des Experiments ist es, Strahlen von Neutrinos und Antineutrinos über große Entfernungen zu starten, sagt Lincoln. Wenn sich Neutrinos anders verhalten als ein Antineutrino, kann dies dazu beitragen, einen weiteren Grund aufzudecken, warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt.

Diese Suchanfragen sind von Vorteil, auch wenn sie nichts finden, sagt Grabmeir. Ihr Ziel ist es, die Regeln zu verstehen, nach denen das Universum arbeitet. Wenn der Prozess, für den Grabmeyr ein Fan ist, nicht existiert, kann diese Tatsache selbst verwendet werden, um viele der jetzt vorgeschlagenen Hypothesen auszuschließen.

Die Grabmeyer-Gruppe plant, Deutschland und Anzeichen eines radioaktiven Zerfalls für weitere zwei Jahre zu überwachen. Am Ende wollen sie bis zu einer Tonne Germanium in ihrem Detektor verbrauchen. Mehr Deutschland - eher Verfall. "Irgendwann werden wir ihn finden", sagt Grabmeyr. Aber jetzt warten sie nur.