Abenteuer-Universum

Am D0-Experiment am Tevatron (Fermilab) wurden neue Hinweise gefunden, dass die im Rahmen des Standarmodells auftretende CP-Verletzung bei weitem nicht ausreicht, um die Asymmetrie der gemessenen Myonen und Antimyonen aus B-Mesonzerfällen zu erklären. Die Physiker stellen die Anzahl der Myonen und der Antimyonen einander gegenüber, die beim Zerfall von B-Mesonen entstehen. Dabei fanden sie heraus, dass es etwa ein Prozent mehr Myonen als Antimyonen gibt. Diese Abweichung ist 50-mal größer als vom Standardmodell der Elementarteilchen vorhergesagt wird.

Zum Hintergrund: CP-Invarianz bedeutet, dass ein Prozess sowie der analoge Prozess, der durch Raumspiegelung (P) sowie Ersetzung aller Teilchen durch ihre Antiteilchen entsteht, identisch ablaufen, insbs. mit der selben Häufigkeit. Man weiß nun jedoch, dass die schwache WW diese CP-Invarianz verletzt (K-Mesonenzerfall, 1964, Nobelpreis). Man kann dies auch theoretisch beschreiben, u.a. über die cirale Struktur der Theorie sowie über die sogenannte CKM-Matrix (ebenfalls Nobelpreis). Die Vermessung der Parameter dieser CKM-Matrix ist eine wesentliche Aufgabe an verschiedenen Hochenergieexperimenten.

http://de.wikipedia.org/wiki/CP-Verletzung
http://de.wikipedia.org/wiki/CKM-Matrix

Die neuen Experimente mit B-Mseonen (schwere Partner der K-Mesonen, bei denen ein s-Quark durch ein b-Quark ersetzt ist) zeigen nun eine deutliche zu hohe CP-Verletzung, als dass sie mit dem Standardmodell erklärbar wäre.

Hier der vollständige Artikel sowie die Orginalveröffentlichung; leider finde ich darin keine ernstzunehmenden Hinweise auf mögliche Erklärungen (evtl. Supersymmetrie?)

http://www.pressrelations.de/new/standa ... m&quelle=0
http://arxiv.org/pdf/1106.6308

Könnte das evtl. ein erster Hin(Be)weis werden für die CP- Verletzung, die im frühen Kosmos dazu führte, dass die Materie die Antimaterie zu 1 Milliardstel übertrumpfte? Oder hat das nichts miteinander zu schaffen?

Gruß
gravi

Das hat schon was damit zu tun, nur:
- man kennt die CP-Verletzung schon von den K-Mesonen
- man kannte sie auch von den B-Mesonen, nur scheint sie stärker zu sein als erwartet
- auch der neue Effekt dürfte viel zu schwach sein, um den beobachteten Materieüberschuss zu erklären

Jetzt müssen wir erst mal warten, ob sich das bestätigt (5 sigma sind noch nicht erreicht; LHC hat auch noch nichts dazu veröffentlicht) und wie die Theorie dazu ausschaut.

Betrachten wir das mal so: Aufgrund des Materieüberschusses wissen wir, dass eine makroskopische CP-Veretzung vorliegen muss. Aus der Elementarteilchenphysik kennen wir zwei mögliche Quellen der CP-Verletzung (s.u.). Beide Effekte dürften jedoch zu schwach sein, um die beobachtet Materie-Antimaterie-Asymmetrie zu erklären.

Mögliche CP-verletzende Prozesse

schwache Wechselwirkung (z.B. in K- und B-Mesonen): aus einer Mischung verschiedener Quarksorten ergibt sich die Möglichkeit einer CP-Verletzung; diese wird durch die sogenannte CKM-Matrix beschrieben, deren Werte man experimentell bestimmen kann.

starke Wechselwirkung die QCD lässt einen CP-verletzenden Term zu (sog. Theta-Winkel), der eine CP-verletzende Vakuumstruktur erzeugen würde; experimentell findet man jedoch, dass dieser Term Null sein muss, andernfalls ergäbe sich z.B. ein von Null verschiedenen elektrisches Dipolmoment des Neutrons - was experimentell eben ausgeschlossen ist. Hier ist die Frage, warum dieser Winkel, der theoretsische jeden beliebeigen Wert annehmen kann, exakt Null sein soll. Eine mögliche Erklärung wäre der sog. Peccei-Quinn-Mechanismus, in dem dieser Winkel "dynamisch" zu Null wird; dieser Mechanismus erfordert jedoch die Einführung eines (hypothetischen) Teilchens, des Axions.

http://en.wikipedia.org/wiki/CP_violation
http://en.wikipedia.org/wiki/Axion

Quantengravitation In der LQG findet man, dass die bekannte Einstein-Hilbert Lagrangedichte, aus der die Einsteinschen Feldgleichungen abgeleitet werden, durch eine allgemeinere Lagrangedichte ersetzt werden können. Die Zusatzterme (Holst action, Nieh-Yan invariant) modifizieren dabei nicht die klassischen Feldgleichungen, jedoch die quantenmechanische Struktur. Dieser Mechanismus ist analog zu dem Theta-Term der QCD, wobei der hier auftretende Barbero-Immirzi-Parameter eben gerade nicht Null sein soll (also kein Peccei-Quinn Mechanismus). Bei der Kopplung der der LQG an Fermionen könnte dabei eine CP-verletzende effektive WW resultieren (ich muss die Artikel wieder raussuchen).

Interessanterweise könnte dieser Barbero-Immirzi-Parameter auch mit der kosmologischen Konstante verwandt sein.

Makroskopische Anisotropie Gerade heute habe ich zufällig einen Artikel gefunden, in dem die CP-Verletzung auf eine gebrochene Rotationssysmmetrie der Raumzeit zurückgeführt wird. Dies würde aus der Kerr-Metrik rotierender Massen (z.B. unserer Galaxie) folgen. Allerdings sehe ich nicht, wie man das auf das Universum als ganzes anwenden kann (Stichwort: Gödel Kosmos?) sowie wie sich daraus eine Quarksorten-spezifische CP-Verletzung ergeben könnte.

http://iopscience.iop.org/0295-5075/95/ ... _21003.pdf

Inflation Ich selbst habe mal darüber spekuliert, dass im Zuge der kosmischen Inflation bzw. der Entstehung unseres Universums aus einer Vakuumfluktuation bereits in dieser Vakuumfluktuation eine winzige räumliche Materie-Antimaterie-Asymmetrie vorhanden war (die sich über größere Abstände natürlich wegmittelt), so dass im Zuge der Inflation nur diese ursprüngliche Asymmetrie „vergrößert“ wurde. Nehmen wir als Beispiel einen Topf mit Wasser, in dem verschiedenen Farben gelöst sind, picken uns ein winziges Volumen heraus, in dem zufällig etwas mehr Grün als Rot enthalten ist, und vergrößern diesen Bereich extrem. Wir erhalten dann makroskopisch grünes Wasser. Die Bereiche mit Antimaterie (in dem Beispiel rotes Wasser) wären jenseits eines kosmologischen Horizontes bzw. „in einem anderen“ Universum, das im Zuge der Inflation von unserem getrennt wurde.

Man beachte, dass die CP-Verletzung im Rahmen des Standardmodells keineswegs zwanglos beschrieben wird, sonder künstlich durch die CKM-Matrix hinzugefügt werden muss. Die Quarks gehen per Uransatz erst einmal ungemischt als Dubletts in die elektroschwache Eichtheorie ein. Erst die Erkenntnis durch das Experiment erzwingt einen gemischten Quarkansatz (klingt lustig)

Quantengravitation In der LQG findet man, dass die bekannte Einstein-Hilbert Lagrangedichte, aus der die Einsteinschen Feldgleichungen abgeleitet werden, durch eine allgemeinere Lagrangedichte ersetzt werden können. Die Zusatzterme (Holst action, Nieh-Yan invariant) modifizieren dabei nicht die klassischen Feldgleichungen, jedoch die quantenmechanische Struktur. Dieser Mechanismus ist analog zu dem Theta-Term der QCD, wobei der hier auftretende Barbero-Immirzi-Parameter eben gerade nicht Null sein soll (also kein Peccei-Quinn Mechanismus). Bei der Kopplung der der LQG an Fermionen könnte dabei eine CP-verletzende effektive WW resultieren (ich muss die Artikel wieder raussuchen).

Null Durchblick... könntest Du das evtl. etwas näher erläutern? Wäre nett

Gruß
gravi