Der Zeitpfeil oder woher kommt die Materie ins Universum?

Philipp Wehrli, 2. Januar 2002

Der Kaonenzerfall ist ein winziger Effekt, der drei fundamentale Fragen der Kosmologie miteinander verknüpft: Woher kommt der Zeitpfeil? Weshalb gibt es mehr Materie als Antimaterie? Was ist der Unterschied zwischen links und rechts? Antikaonen zerfallen schneller als Kaonen. Dadurch wird ein Zeitpfeil definiert: Dort wo es mehr Kaonen hat, ist die Zukunft.

Wenn man erklären will, wie das Universum aus dem Nichts entstanden ist, stellen sich fünf Fragen:

1. Wie entstand der Raum?

2. Wie begann die Zeit zu laufen?

3. Woher kommt die Energie?

4. Woher kommt die Materie?

5. Woher kommt die Information, also die Gesetze, die den Teilchen vorschreiben, wie sie sich verhalten sollen, und die Anfangsbedingungen, die festlegen, wo die Teilchen am Anfang waren?

In diesem Text befasse ich mich mit der vierten Frage. Da ich nicht selber dabei war, begnüge ich mich mit einigen Denkanstössen. Nehmen wir einmal an, die ersten drei Fragen seien geklärt, es gibt eine Raum-Zeit und darin Energie. Wegen der Heisenbergschen Unbestimmtheit entstehen andauernd Teilchen-Antiteilchen Paare. Wenn die Materie so entstanden ist, müsste es gleich viel Antimaterie geben wie Materie. Denn immer, wenn ein Teilchen entsteht, entsteht auch ein Antiteilchen. Im Universum beobachten wir fast ausschliesslich Materie und kaum Antimaterie. Woran liegt das?

Dazu sind verschiedene Erklärungen denkbar. Zum Beispiel könnte es sein, dass Antiteilchen im Gravitationsfeld ein bisschen schneller herunterfallen als die Teilchen. Sowas kann nur behaupten, wer keinen Sinn für die Eleganz der allgemeinen Relativitätstheorie hat. Deren Grundidee, das Äquivalenzprinzip, sagt ja gerade, dass alles gleich schnell herunterfallen muss. Es wäre für die meisten Kosmologen daher ziemlich grässlich, wenn sich die Natur so verhalten würde. Ob sie es wirklich nicht tut, kann aber nur sehr schwer genau gemessen werden. Wenn die Antiteilchen schneller herunterfallen würden, dann würden beim Hawking-Effekt vermehrt die Antiteilchen ins schwarze Loch fallen. Da wären sie von aussen gesehen nicht mehr von Teilchen zu unterscheiden. Wir würden nur noch die Teilchen sehen, die nicht in die schwarzen Löcher fielen. Die schwarzen Löcher würden also die Antimaterie aus dem Universum absaugen.

Vielleicht stimmt es auch gar nicht, dass es in unserem Universum mehr Materie als Antimaterie gibt. Möglicherweise ist Materie und Antimaterie nur sehr ungleichmässig verteilt. Vielleicht bestehen andere Galaxien ausschliesslich aus Antimaterie. Das könnten wir von der Erde aus nicht feststellen, weil wir von anderen Galaxien nur das Licht sehen. Anti-Licht sieht gleich aus wie Licht.

Am plausibelsten ist eine andere Erklärung. Val Fitch und James Cronin bemerkten 1964 aufgrund von theoretischen Überlegungen, dass bestimmte Antiteilchen, die ‘Antikaonen’, ein bisschen schneller zerfallen als die dazugehörigen Teilchen, die ‘Kaonen’. Vielleicht haben manche Teilchen ganz einfach kein Antiteilchen mehr gefunden, weil diese bereits zerfallen waren. Diese Teilchen konnten nicht mehr verschwinden und sind bis heute übrig geblieben. Dass Antikaonen schneller zerfallen als Kaonen, konnte 1999 unabhängig voneinander am Cern und am Fermilab direkt nachgewiesen werden.

An Kaonen (auch K-Mesonen genannt) ist an sich nichts Exotisches. Es sind mittelschwere Teilchen, die in Teilchenbeschleunigern regelmässig produziert werden. Neutrale Kaonen sind selber nicht sichtbar, weil sie keine Ladungen tragen. Bei Reaktionen unter Teilchen und Antiteilchen müssen aber immer gewisse Zahlen erhalten bleiben. Zum Beispiel bleibt die Summe aller Ladungen erhalten. Ebenso kann sich der Gesamtspin, die Energie, die Anzahl der Baryonen und der Leptonen nicht ändern. Baryonen und Leptonen sind Familien von Teilchen. Ein Proton ist ein Baryon, ein Antiproton zählt als negatives Baryon. Wenn sich ein Proton (+1) und ein Antiproton (-1) in zwei Photonen (0+0) verwandeln, dann bleibt die Baryonenzahl erhalten (+1-1=0+0). Dank diesen Erhaltungssätzen wissen wir, welche Teilchen da sind, auch wenn wir sie in manchen Experimenten nicht direkt sehen.

Im entscheidenden Experiment wurden ein Proton (P⁺) und ein Antiproton (P^-) zusammengeschossen. Wir erwarten, dass die Naturgesetze für Materie und Antimaterie gleich sind. Wenn ein Teilchen mit seinem Antiteilchen zusammenstösst, sollten zwei Reaktionen a und b möglich sein, die sich nur darin unterscheiden, dass bei a überall dort Teilchen auftreten, wo bei b Antiteilchen sind und umgekehrt. Diese zwei Reaktionen sollten gleich häufig vorkommen. Im ersten Teil der Reaktion ist dies auch der Fall.

a.) Beim Zusammenstoss entstehen ein positives Kaon (K⁺), ein negatives Pion (pi^-) und ein unsichtbares neutrales Antikaon (K⁰) (Abbildung 1a, graues Feld).

b.) Es entstehen ein negatives Antikaon (K^-), ein positives Antipion (pi⁺) und ein unsichtbares neutrales Kaon (K⁰) (Abbildung 1b, graues Feld).

Im zweiten Teil der Reaktion zeigt sich aber ein Unterschied. Normalerweise zerfällt ein neutrales Kaon (K⁰) in ein positives Antielektron (e⁺), ein unsichtbares Neutrino (ny⁰) und ein negatives Pion (pi^-). Das neutrale Antikaon zerfällt in die entsprechenden Antiteilchen. In seltenen Fällen kann sich aber das neutrale Kaon in ein neutrales Antikaon verwandeln. Umgekehrt kann sich das Antikaon  in ein Kaon verwandeln. Diese Möglichkeiten sind im zweiten Teil von a und b in Abbildung 1 gezeichnet. Wieder sollte die Reaktion a gleich häufig vorkommen wie die Reaktion b. Es zeigt sich aber, dass a häufiger ist, dass sich also Antikaonen eher in Kaonen umwandeln als umgekehrt.

Damit können wir einen Zeitpfeil definieren. Die Zeit fliesst in die Richtung, in der die Zahl der Kaonen zunimmt und die Zahl der Antikaonen abnimmt.

Abbildung 1a) Teilchen sind weiss, Antiteilchen grau und unterstrichen eingezeichnet. Die Zeichen links über der Beschriftung zeigt die Ladung an. Die gestrichelten Wege und Teilchen sehen wir nicht.

Abbildung 1. b) Wie a.), aber statt Teilchen Antiteilchen und umgekehrt. Der erste Teil der Reaktion von a.) ist gleich häufig wie der von b.). Der zweite Teil von a.) ist aber häufiger als der von b.). Antikaonen wandeln sich öfter in Kaonen um als umgekehrt.

Dieser Mechanismus könnte der Grund sein, weshalb wir so viel Materie sehen, aber keine Antimaterie.

Damit gibt es auch einen eindeutigen Unterschied zwischen links und rechts. Wie ich im Text über links und rechts gezeigt habe, kann man einem Ausserirdischen die Bedeutung von ‘links’ und ‘rechts’ nur erklären, wenn man weiss, ob er aus Materie oder aus Antimaterie besteht. Nun können wir ihm aber sagen: Die Kaonen sind die Teilchen, die länger überleben. Wenn es in deiner Welt mehr Kaonen als Antikaonen gibt, lebst du nicht in einer Antiwelt. Also hat links und rechts für dich die gleiche Bedeutung wie für uns.

Schlussbemerkung:

Durch die Entstehung der Materie hängt die Kosmologie eng mit der Teilchenphysik zusammen. Wir wissen aus Teilchenbeschleunigern ziemlich genau, unter welchen Umständen welche Art von Teilchen entstehen. Wenn wir  sehen, welche Teilchen es heute im Universum gibt, können wir immer auch Aussagen machen, wie das Universum einmal gewesen sein muss. Denn das Universum muss früher einmal so gewesen sein, dass die verschiedenen Teilchenarten, die wir heute beobachten, auch entstehen konnten. Ausserdem muss sich das Universum so entwickelt haben, dass das Verhältnis der verschiedenen Teilchenarten heute so ist, wie wir es beobachten. Eine der spannendsten Aufgaben der Kosmologen besteht darin, die kosmologischen Modelle (also das ganz Grosse) mit den Modellen der Teilchenphysik (also mit dem ganz Kleinen) in Übereinstimmung zu bringen.

Weiterführende Artikel auf dieser Homepage:
Links/Rechts
Wie ist die Welt entstanden? - Bei meinem Modell, was die Welt ist, ergibt sich von selbst die links/rechts Asymmetrie

Zeitpfeil