Materie und Antimaterie

[tomS]

Schon seit Jahrzehnten stehen die Physiker vor folgendem Rätsel:

Wie kommt es, dass wir im Universum praktisch ausschließlich Materie sehen, und keine Antimaterie?

Alle Messungen der kosmischen Höhenstralung deuten darauf hin, dass das für uns sichtbare Universum ausschließlich aus gewöhnlicher Materie besteht. Außerdem stoßen nirgendwo im Universum Ansammlungen von Materie und Antimaterie zusammen, wir würden sonst gigantishe Strahlungsausbrüche sehen.

Die grundlegenden Gesetze der Quantenphysik sollten aber bezüglich Materie und Antimaterie symmetrisch sein, d.h. dass wir unsere Welt nicht von einer spiegelbildlichen Darstellung unterscheiden können. Wo ist also die Antimaterie, die ja nach dem Urknall ebenfalls entstanden sein sollte, hin verschwunden? Oder anders formuliert - wenn die Naturgesetze symmetrisch sind, dann müssten sich Materie und Antimaterie gegenseitig vernichtet haben und es dürfte nur noch Strahlung übrig sein.

Nun haben Physiker schon vor ca. 40 Jahren die Verletzung der sogenannten CP-Symmetrie entdeckt, d.h. eine Verletzung der Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie bei den sog. K°-Mesonen = neutralen Kaonen:
http://de.wikipedia.org/wiki/CP-Verletzung
http://de.wikipedia.org/wiki/Kaon
C steht dabei für Charge, also Ladung, und P für Parity, also Parität. CP bedeutet, dass ein Teilchen mit Ladung e durch ein Teilchen mit Ladung -e und gleichzeitig durch sein Spiegelbild ersetzt wird. Eine Verletzung der CP-Symmetrie entspricht also der Tatsache, dass sich Materie und Antimaterie doch nicht identisch verhalten.

Die beobachtete CP-Verletzung bei den Kaonen ist jedoch so gering, dass sie die Tatsache, dass wir heute in einem ausschließlich aus Materie bestehenden Universum leben, nicht erklären kann. Es gibt neuere Experimente, die Effekte der CP-Verletzung an B-Mesonen studieren.
http://de.wikipedia.org/wiki/Belle-Experiment
Die dabei auftretenden Effekte sind deutlicher, jedoch können auch sie nicht erklären, warum das Universum heute rein materiedominiert ist.

Es gibt neue Veröffentlichungen, die evtl. weitergehende Erklärungen anbieten; allerdings dürfte es verfrüht sein, hier bereits eine Lösung des lange diskutierten Problems zu vermuten: http://physicsworld.com/cws/article/news/33474
Unter diesem Link befinden sich weitere interessante Artikel zu diesen und verwandten Themen.

Ich hatte auch schon folgende Idee, habe aber dazu keine vernünftigen Quellen (mit Argumenten oder Gegenargumenten) gefunden: wenn die Inflationstheorie des Universums richtig ist, dann könnte doch eine Quantenfluktuation einer kleinen "Materieblase" zu unserem Universum expandiert sein. Damit würde sich die Antimaterie weit jenseits des Horizonts unseres Universums befinden und es wäre klar, warum wir ausschließlich Materie beobachten. Voraussetzung wäre jedoch, dass die Inflation auf der richtigen Längenskala begonnen hätte, die eben ca. der Ausdehnung einer solchen Materieblase entsprochen hätte. Nun ist es aber sicher schierig, für beide Längenskalen eine vernünftige Abschätzung zu erhalten, denn beide hängen doch sehr stark von vielen unbekannten Parametern in den Theorien ab.

[Stephen]

Hallo,

eine andere Theorie geht davon aus, dass sich DM in sichtbarer Materie "versteckt".

Zusammenfassung

Fazit: um die DM in normalen Objekten zu verstecken, sind die meisten Arten dieser Objekte nicht geeignet.

- Massearme Objekte geringer Dichte führen zu viel zu grossem Q
- Die massereichen NS und BH führen zu einem Widerspruch mit der chemischen Entwicklung der Galaxis.
- M Zwerge würden insgesamt mehr Strahlung produzieren, als mit den Beobachtungen verträglich ist.
- Braune Zwerge aber wären geeignet: sie sind dunkel, nicht zu groß und enthalten je mehr als etwa 0.01 M(Sonne). Sie könnten die für die Galaxis notwendige DM enthalten.

Ob die real existierende Menge an Braunen Zwergen reicht, um den Bedarf an DM der Kosmologie zu erklären, ist aber äusserst fraglich.

Quelle bzw. vollständiger Artikel:
http://www.astro.uni-bonn.de/~deboer/pdm/pdmdmtxt.html

Gruß, Steffen

[tomS]

Hallo Stephen,

egal was genau nun die DM ist, das Problem der Materie-Antimaterie-Asymmetrie bleibt bestehen. Nehmen wir an die DM würde aus supersymmetrischen Teilchen bestehen. Wo sind dann die entsprechende supersymmetrischen Anti-Teilchen ?

Das Rätsel der Materie-Antimateriue Asymmetrie ist meiner Meinung nach unabhängig von dem Problem der DM. Würde das sichtbare Universum ausschließlich aus gewöhnlicher Materie (Protonen, Neutronen bzw. den entspr. Quarks sowie Elektronen) bestehen, d.h. gäbe es keine DM (deren Existenz man ja nur rein rechnerisch erschließen kann) so wäre es immer noch ein Rätsel, wo die entsprechende Antimaterie (Anti-Protonen, Anti-Neutronen bzw. den entspr. Anti.Quarks sowie Positronen) abgeblieben ist.

[Stephen]

Hallo Tom,

hatte Deine Fragestellung anfangs nicht ganz geschnallt und außerdem noch Antimaterie mit Dunkler Materie verwechselt - jetzt dämmert es mir aber :idea:

Leider ist das von dir wirklich angesprochene Problem jetzt aber ein paar Nummern zu groß für mich

Noch einen schönen Ostermontag!
Steffen

[tomS]

Macht ja nichts; ich werde an dieser Stelle mal neu nachdenken, nämlich bei der Frage, aus was eigentlich die DM bestehen könnte. Ein Kandidat sind ja sogenannte WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles).

Nimmt man an, dass diese die leichtesten supersymmetrischen Partnerteilchen zu bekannten Teilchen wären, so wären sie aufgrund dieser Eigenschaft stabil (nur "weakly interacting", d.h. nur über die Gravitation). Jede andere Wechselwirkung ist verboten, da ansonsten ein Zerfall in leichtere Teilchen möglich wäre - aber nach Voraussetzung sollen es ja die leichtesten supersymmetrischen Teilchen sein. Ein Zerfall in nicht-supersymmetrische Teilchen ist verboten, da dadurch der Erhaltungssatz für die sog. Superladung verletzt wäre.

Was passiert nun, wenn diese leichtesten supersymmetrischen Teilchen ihre eigenen Antiteilchen wären? Soetwas gibt es (für nicht-supersymmetrische Teilchen) , z.B. ist das Photon sein eigenes Antiteilchen. Kann dies nur gelten, wenn das Teilchen (wie das Photon) masselos ist? Es wurde spekuliert, dass das Neutrino sein eigenes Antiteilchen sein könnte; ist dies nun erwiesenermaßen unmöglich, nachdem der Nachweis der Neutrinomasse gelungen ist?

Wäre es also möglich, dass die WIMPs ihre eigenen Antiteilchen sind und dass sich dadurch an der grundsätzlichen Argumentation bzgl. Materie-Antimaterie-Asymmetrie etwas ändert?

Danke, für deinen Beitrag, Steffen; ohne ihn hätte ich nicht angefangen, in der Richtung nachzudenken.

[tomS]

Tja, das scheint ein schwieriges Thema zu sein.

Wenn ein WIMP sein eigenes Antiteilchen sein soll, dann müssten diese zunächst Fermionen (mit Spin ½) sein. Kandidaten wären dann z.B. das Neutralino, vier Mischungen der Partnerteilchen von Photon, W- und Z-Boson.

Nach dem Standardmodell sind alle Fermionen (Elektronen, Quarks, Neutrinos) sogenannte Dirac-Teilchen. Sie werden durch die Dirac-Gleichung beschrieben. Die Dirac-Teilchen stammen aus einer besonderen Eigenschaft der Symmetrie unter Lorentz-Transformation. Demzufolge gibt es nicht nur Vektoren und Tensoren, sondern auch sogenannte Spinoren, die man eben zur Beschreibung von Fermionen benötigt. Bei Dirac-Teilchen kann man in der Dirac-Gleichung Teilchen durch Antiteilchen ersetzen und erhält eine neue Gleichung (das ist so ähnlich wie eine Mischung aus komplexer Konjugation von komplexen Zahlen sowie Matrix-Transposition).

Man kann aber auch eine exotischere Form der Spinoren, sogenannte Majorana-Spinoren konstruieren. Wenn man dann in der Majorans-Gleichung versucht, Teilchen durch Antiteilchen zu ersetzen, so erhält man wieder die identische Gleichung (es bleibt nur noch die Matrix-Transposition, denn Majorana-Spinoren bestehen aus reellen Zahlen). Also hat man eine Gleichung, in der Teilchen und Antiteilchen identisch sind.

Es könnte auch ohne Supersymmetrie Majorana-Teilchen geben, nämlich die Neutrinos. Ob diese Dirac- oder Majorana-Teilchen sind, kann man derzeit nicht mit letzter Gewissheit sagen, denn dazu müsste man den sogenannten neutrinolosen doppelten Beta-Zerfall nachweisen (dann wären es Majorana-Teilchen) oder definitiv experimentell ausschließen (dann wären es sicher Dirac-Teilchen, wie es das Standardmodell fordert). Leider wird der doppelte Beta-Zerfall jedoch durch die schwache Wechselwirkung vermittelt (ist also – wenn es ihn gibt – extrem selten) und er müsste auch noch doppelt auftreten (also schwindet die Wahrscheinlichkeit für seinen Nachweis noch mal quadratisch mit der ohnehin sehr kleinen Kopplungskonstanten der schwachen Wechselwirkung). Genau deswegen kann man derzeit nur gewisse Abschätzungen abgeben.

Im neutrinolosen doppelten Beta-Zerfall zerfällt zunächst ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino.
|Neutron) => |Proton, Elektron, Antineutrino)
Außerdem findet „zeitgleich“ noch ein inverser Beta-„Zerfall“ statt, aus einem Neutron und einem Neutrino werden ein Proton und ein Elektron
|Neutron, Neutrino) => |Proton, Elektron)
(Dies ist die Nachweisreaktion für Neutrinos)
Die beiden Prozesse finden nach dem Standardmodell unabhängig voneinander statt und beeinflussen sich gegenseitig nicht.

Wäre das Neutrino nun ein Majorana-Teilchen, so könnte das Antineutrino aus dem ersten Prozess im zweiten Prozess quasi die Rolle seines eignen Antiteilchens übernehmen und vom Neutron absorbiert werden. Der Gesamtprozess wäre dann
|2 * Neutron) => |2 * Proton, 2* Elektron)
Das Neutrino tritt im Endzustand nicht mehr in Erscheinung – daher der Begriff neutrinoloser doppelten Beta-Zerfall.

Die nächste Frage wäre nun, ob das Majorana-Neutralino als WIMP ein geeigneter Kandidat für die DM wäre, und ob damit das Problem der Materie-Antimaterie-Asymmetrie gelöst werden könnte.

Ich gebe zu, hier weiß ich nicht weiter.

[Otz]

Ich hätte auch eine Idee, auch wenn ich leider nicht so viel Ahnung habe.

Wenn die elektrischen Ladungen von Antimaterie und Materie unterschiedlich sind, villeicht ist es dann auch die Gravitationswirkung.

Die Gravitationskraft ist ja so klein, dass man das bei Versuchen (vielleicht?) noch nicht germerkt hat . Dann müsste sich Mateire und Antimaterie abstoßen. Wenn sich dann auch Antimaterie untereinander abstößt, müsste sie sich gleichmäßig im Universum um Galaxien verteilen. Die abstoßungskraft könnte die Expansion des Universums erklären. Auch die DM könnte so vielleicht erklärt werden, dass nicht mehr Masse in den Galaxien vorhanden ist, sondern "antimasse" außerhalb der Galaxien ist.

Die Abstoßungskraft könnte dann auch bewirken, dass sich Materie und Antimaterie nicht gegenseitig in Energiestrahlung umwandeln. Da sie sich einfach nicht nah genug kommen, um sich auszulöschen.

Ich weiß z.B. (leider) auch nicht, was passiert, wenn ein Photon auf ein Antiwasserstoffteilchen trifft. Emitiert dann das Antiproton oder das Positron das Photon? Wer weiß soetwas?

Naja, es ist wie gesagt nur eine Idee...

[tomS]

Die Gravitationswechselwirkung ist für alle bekannten Erscheinungsformen von Materie anziehend: die Gravitation koppelt an den Energie-Impuls-Tensor von Materie und Antimaterie. Deren Felder gehen jedoch quadratisch in den Energie-Impuls-Tensor ein, so dass dieser invariant unter Vertauschung von Materie und Antimaterie ist. Die Gravitation kann also beide Formen nicht "unterscheiden".

Dies zeigt sich auch darin, dass das Graviton ein Spin-2 Teilchen sein müsste (entsprechend der Tensorstruktur von klassischen Gravitationswellen). Spin-2 Teilchen vermitteln immer ausschließlich anziehende Kräfte.

Ich gebe allerdings zu, dass diese Symmetrie unter Quantenfluktuationen verletzt sein könnte, wobei natürlich a) die entsprechende Theorie der Quantengravitation fehlt und b) ich nicht sicher bin, on eine derartige Anomalie nicht zu Inkonsistenzen führen könnte.

[AlTheKingBundy]

es gibt meiner meinung nach 2 möglichkieten, beide beruhen auf einer antisymmetrie, d.h. die bevorzugung von materie gegenüber antimaterie. die cp-verletzung ist eine davon - hoffen wir, das CPT erhalten bleibt - welche einen kontinuierlichen antisymmetrieprozess zur folge hat, d.h. über lange zeit könnte sich die wagschale zu gunsten der materie entwickelt haben. daran glaube ich aber nicht so recht aufgrund der von tom schon geschilderten kleinheit des effektes. die zweite möglichkeit ist ein spontanes ereignis, was tom auch schon aufgeführt hat. ich würde dieses spontane ereignis sehr dicht an den urknall datieren. vielleicht gab es dort bei den anfangsparametern ein übergewicht an materie. man darf bestimmt nicht geltene gesetzmäßigkeiten auf den urknall anwenden. und wie die anfangsparameter dort waren, da muss man mit dem lieben gott telefonieren. gibt es denn schon messungen zu hintergrund-vernichtungsstrahlung von materie und antimaterie im universum? das müsste doch aufschluss darüber geben, welcher prozess nun stattgefunden hat...

[tomS]

gibt es denn schon messungen zu hintergrund-vernichtungsstrahlung von materie und antimaterie im universum? das müsste doch aufschluss darüber geben, welcher prozess nun stattgefunden hat...

Es geht um die Frage, wann diese Annihilation stattgefunden hat - bevor oder nachdem das Universum für el.-mag. Strahlung durchsichtig wurde. Die Ionisierungsenergie von Wasserstoff (häufigstes Element) liegt im 10eV Bereich, die niedrigste Energie für Materie-Antimaterie (Elektron-Positron) Annihilation bei 2*511 keV = 1 MeV.

Fand die Vernichtung vorher statt, wurde die Strahlung also vollständig vom Wasserstoffgas / -plasma absorbiert und existiert heute nicht mehr. Fand die Vernichtung nachher statt, so müsste sie als (rotverschobenes) 1 MeV Signal sichtbar sein - ist sie aber nicht (es gibt nur den CMB bei einigen K = 0.025 eV). Demnach wäre die (angenommene) Materieblase größer als der heute sichtbare Horizont des Universums.

Grüße

[gravi]

Die Paarvernichtung fand im Frühstadium des Universums statt, sie war im Alter von etwa 1 Sekunde abgeschlossen. Das heißt, alle Antimaterie war zerstrahlt und nur die Materie blieb übrig.

Durchsichtig aber wurde das Universum erst im Alter von rund 300 000 Jahren, bis dahin war es strahlungsdominiert.

Gruß
gravi

[tomS]

Woher weißt du, dass die Paarvernichtung vorher stattgefunden hat bzw. dass das Universum vorher eine (genügend große) Materie-Antimaterie-Asymmetrie entwickelt hat? Es gibt ja keine messbaren Überbleibsel.

Oder anders herum - was ist an meinem Alternativvorschlag falsch, dass das für uns sichtbare Universum aus einer mikroskopischen Materie-Quantenfluktuation durch Inflation entstand, wohingegen sich die Antimaterie-Quantenfluktuation "jenseits" des Horizontes befindet?

In diesem Modell wäre global keine Asymmetrie notwendig, nur lokal.

[gravi]

Das Modell stammt nicht von mir, die Urknalltheorie haben schlauere Köpfe als ich einer bin aufgestellt. Diese Paarvernichtung folgt wohl aus einer ganzen Reihe von grundsätzlichen physikalischen Überlegungen, die ich jetzt auch nicht aus dem Ärmel schütteln könnte.

Allerdings gibt es auch eine ganze Reihe von Experimenten ( an den Teilchenbeschleunigern), bei denen die energetischen Abläufe bis zum Zeitpunkt der Paarvernichtung zurück verfolgt werden können. Es wird also die theoretische Physik durch Experimente belegt. Für die Richtigkeit solcher Überlegungen sind dann zwangsweise keine astronomischen Beobachtungen notwendig, die sowieso nicht gemacht werden könnten.

Gegen Deine Alternative spricht nach meiner Ansicht, dass damals das Universum bis auf winzigste Unterschiede (bedingt durch die Dunkle Materie) überaus homogen gewesen sein muss. Aus den hochenergetischen Photonen konnten gleichermaßen Materie- und Antimaterieteilchen auskondensieren. Ich sehe da keinen Grund für irgendeinen Mechanismus einer Separation von Materie und Antimaterie.

Gruß
gravi

[tomS]

Hey gravi,

ich will doch das gar nicht alles in Frage stellen, sondern nur leicht modifizieren.

Nach der gängigen Theorie entstand aus dem Urknall ein extrem dichter und heißer Quantenzustand, in dem sich zunächst eine Materie-Antimaterie-Asymmetrie einstellte - warum auch immer, dafür gibt's m.W.n. noch keine schlüssige Theorie.
Durch die Inflation (getrieben durch eine bestimmte Eigenschaft eines sogenannten Inflatonfeldes) dehnte sich dann das Universum sehr schnell um viele Zehnerpotenzen aus und wurde dadurch flach (Krümmung Null) und homogen (Fluktuationen geglättet).
Nach dieser Theorie kann wohl die Materie-Antimaterie-Asymmetrie auch erst nach der Inflation auftreten, vorausgesetzt das Universum ist noch dicht genug, um genügend viele Wechselwirkungsprozesse zuzulassen.
Es gibt also zwei Varianten, ich weiß nicht welche davon bevorzugt wird, aber beide haben das Problem, dass sie den genauen Mechanismus der Entstehung der Asymmetrie nicht erklären können.

Nach meiner Idee entstand aus dem Urknall ein extrem dichter und heißer Quantenzustand, in dem sich keine Materie-Antimaterie-Asymmetrie einstellte, sondern in der durch eine Quantenfluktuation innerhalb eines kleinen Volumens ein Materie-Überschuss auftrat (gleich neben an gab's den entsprechendne Antimaterie-Überschuss).
Durch die Inflation dehnte sich dann das Universum und dieses kleine Volumen sehr schnell aus und wurde dadurch flach (Krümmung Null) und homogen (Fluktuationen geglättet).
Paarvernichtungsprozesse im Zustand nach der Inflation lasse ich ebenfalls zu.
Nach dieser Idee gibt es global keine Materie-Antimaterie-Asymmetrie, sondern nur insgs. eine Ungleichverteilung.

Der wesentliche Unterschied ist folgender:
Nach der gängigen Theorie ist eine fundamentale Asymmetrie in den mikroskopischen Naturgesetzen für die beobachtete Asymmetrie notwendig (eine solche Asymmetrie gibt es - sog. CP-Verletzung - aber sie ist bei den beobachteten Prozessen extrem klein und kann die beobachtete Asymmetrie nicht erklären).
Nach meiner Idee brauche ich keine fundamentale Asymmetrie sondern nur eine Inhomogenität durch Quantenfluktuationen die durch die Inflation aufgebläht wird.

Hat jemand noch eine gute Idee?

Eine sehr gute Beschreibung der gängigen Theorie: http://www.wissenschaft-online.de/astro ... t_a04.html

Gruß

[derNeugierige]

Hat jemand noch eine gute Idee?

Ich ziehe immer wieder gerne Parallel- und Multiversen heran, um Probleme zu lösen. Ist irgendwie einfacher . Z.B. habe ich mir mal überlegt, ob unsere Raumstruktur oder unsere Dimensionen das Vorhandensein von Antimaterie einfach nicht zu lassen...
Oder hat sich kurz nach dem Urknall eine kleine Raumregion gebildet, wo sich die Antimaterie angesammelt hat (aber nach der Inflation müsset sie ja wieder sehr groß sein...)? Oder sind zwei Universen gleichzeitig aus diesem Urknall (hätte eigtnlich noch ein Universum aus dem Urknall entstehen können?) entstanden (unseres und noch eins), und das eine hat die ganze Antimaterie "mitgenommen" (aus was für einen Grund auch immer, wissen wir ja nicht; andere Physik)?
Jetzt müsste man vielleicht den etwas genaueren Zeitraum wissen, als sich die Materie-Antimaterie-Asysmmetrie einstellte. Aber wenn man bedenkt, dass schon paar Hundermillionen Jahre nach dem Urknall Sterne entstanden sind, was dann auch nicht ausschließen lässt, dass noch früher Sterne entstanden sind, hätte sich vielleicht auch schon ein supermassives Schwarzes Loch bilden können. Dieses hat dann, denn das Universum war ja noch nicht so groß, die Antimaterie aufgesaugt.

Was mir jetzt noch während des Schreibens eingefallen ist, dass ja erst durch die Inflation das Universum homogen und isotrop wurde, aber direkt nach dem Urknall soll die DM Gravitationstöpfe gebildet haben (Anisotropie im CMB), wodurch dann Sterne, Galaxien entstehen konnten. Hätten sich nicht dann auch Haufen von Antimaterie bilden können, die dann zu SLs kollabierten... Wir können ja nicht sagen, was für Materie das im SL ist.

Ach ich hätte noch soviele Ideen...

[gravi]

Ich habe schon verstanden, wie Du das meinst, lieber Tom.

Aber: Die Inflationsphase fand vor der Annihilation statt, ich meine zwischen 10^-36 und 10^-33 Sekunden. Die Paarvernichtung aber erst viel später, 10^-6 bis 1 Sekunde.

Während der Inflationsphase gab es nach meiner Ansicht nur Photonen (und die superschweren X- und Y- Bosonen), da hier noch die einzelnen Wechselwirkungen größtenteils vereinigt waren.

Deine Idee ist ja nicht "verwerflich" , aber vom zeitlichen Ablauf passt das irgendwie nicht. Zudem, wenn sich die Antimaterie in irgendeiner "Ecke" des Universums separiert hätte, so müsste zuwenigst im jungen Universum noch Kontakt zu normaler Materie bestanden haben (das All war ja noch nicht sehr groß), so das es doch wieder "knallen" konnte.

Ich kann mir auch nicht vorstellen, wie unser Neugieriger meint, dass sich die Antimaterie in ein anderes Universum verkrümelt hat. Da hätte sich ja irgendwie eine zweite "Blase" öffnen müssen, und aus welchem Grund sollte sich die Antimaterie aus unserem All verdünnisieren?

Als weitere Idee bringe ich mal diese: Es entstand erst gar keine Antimaterie, sondern ganz schlicht nur unser "normales" Stöffsche. Dann braucht auch die CP(T)- Verletzung nicht eingreifen und es herrscht Friede im Kosmos
Doch im Ernst, warum muss unbedingt Antimaterie entstehen? Leider verstehe ich dazu zu wenig von theoretischer Physik, um das selbst zu beantworten...

Gruß
gravi

[Maclane]

Als weitere Idee bringe ich mal diese: Es entstand erst gar keine Antimaterie, sondern ganz schlicht nur unser "normales" Stöffsche. Dann braucht auch die CP(T)- Verletzung nicht eingreifen und es herrscht Friede im Kosmos
Doch im Ernst, warum muss unbedingt Antimaterie entstehen? Leider verstehe ich dazu zu wenig von theoretischer Physik, um das selbst zu beantworten...

Aber warum soll denn erst gar keine Anti-Materie entstanden sein? Wie soll das gehen? Die Anti-Materie gehört doch einfach dazu.
Denk nur mal an die Vakuumfluktuationen, wo ständig Paare aus Teilchen und Anti-Teilchen entstehen. Auch bei Zerfallsprozessen entstehen Anti-Teilchen wie Positronen und so. Also dass erst gar keine Anti-Materie entstanden ist, klingt irgendwie gewagt.

Ich denke, wir sollten einfach weiter forschen nach weiteren Asymmetrien. Mir scheint das der richtige Ansatz zu sein.

Gruß Mac

[tomS]

Hi Gravi,

ich habe kein Problem damit, dass es quasi Grenzflächen zwischen Regionen mit Materie und Antimaterie gibt. Wenn die Regionen aufgrund der Inflation genügend groß sind, sind sie unbeobachtbar.

Ich frage nur nochmal, ob denn der herkömmliche Mechanismus zur Erklärung der Asymmetrie tatsächlich einen ausreichenden Überschuss hervorbringen kann. Man beachte die Kleinheit der CP-Verletzung sowie die Tatsache, dass sie ausschließlich für schwere K- und B-Mesonen nachgewiesen ist, nicht für die uns umgebende, bekannte Materie und auch nicht für freie Elementarteilchen wie Quarks, Elektronen usw.

Zu der Form der Materie während der Inflationsphase - ist ja eine Frage der Temperaturdichte bzw. der mittleren Energie der Teilchen. Nach dem Stabdardmodell wären das weiterhin Elektronen, Positronen, ..., Neutrinos, Quarks und Antiquarks, Gluonen sowie Photon und W- bzw. Z-Boson. Die letzten drei würden sich alle praktisch identisch verhalten, insbs. wären sie (bei genügend großen Energiene) alle masselos.

Mit den X- und Y-Bosonen ist das so eine Sache: alle Theorien, die ihre Existenz vorhersagen (GUT = Grand Unified Theories) haben das Problem, dass sie eine unakzeptabel hohe Zerfallsrate für freie Protonen vorhersagen. Nach den durchgeführten Experimenten muss das Proton jedoch eine um mehrere Größenordnungen höhere Lebensdauer haben.

Mit den Paralleluniversen o.ä. habe ich so meine Probleme: da sie grundsätzlich unbeobachtbar sind (und zwar weder direkt noch indirekt irgendwelche messbaren Effekte vorhersagen), halte ich sie für mathematischen Ballast. Sie blähen die Theorie um ein spekulatives Element auf, ohne einem dafür etwas zurückzugeben - kein gutes Geschäft.

[gravi]

Dass keine Antimaterie entstand ist sicherlich auch nicht meine Überzeugung - ich hab's einfach mal "unters Volk gestreut".

Ich meine, die Theorie ist da schon ziemlich sattelfest - die Paarvernichtung eingeschlossen.
Aber lassen wir das mal beiseite.

Doch ich sehe noch immer keinen Mechanismus, der eine Separation von Materie und Antimaterie hervorbringen könnte. Zum Zeitpunkt der Inflation ist für mich das Universum völlig homogen, alle Materie ist völlig gleichmäßig verteilt. Fluktuationen können doch dort höchstens auf kleinsten Skalen vorgekommen sein, die aber sofort durch die Strahlung wieder geglättet wurden (ausgenommen die Dunkle Materie). Deshalb kann ich es mir nicht vorstellen.

Zumal wie gesagt die Paarvernichtung in einer anderen zeitlichen Phase stattfand.

Ja, die CP- Verletzung ist nur schwach, bisher aber noch immer die gängigste Erklärung für den Materieüberschuss.

Gruß
gravi

[tomS]

Die Quantenfluktuationen zeigen auf relativ großen Skalen messbare Effekte, z.B. sind sie verantwortlich für die Hawkingstrahlung am Horizont eines schwarzen Lochs sowie den sogenanten Casimir-Effekt (der ist experimentell nachweisbar)

Zur Hawkingstrahlung: will heißen, dass eine Trennung von Materie-Antimaterie-Paaren stattfindet, wobei ein Partner ins Loch fällt, während der andere entkommt. Trotzdem haben wir zunächst klassisch nach der ART am Horizont ein perfektees Vakuum, d.h. eine homogene, glatte Metrik.

Nachdem aber keiner auf meine (etwas spekulative) Idee einsteigt, beende ich das hier :-)

Grüße

[gravi]

Ach, lieber Tom, nun sei mal nicht traurig, vielleicht findet sich ja noch ein Anhänger

Aber sagen muss ich doch noch etwas:
Die Fluktuationen am Horizont eines SL's, die für die Hawkingstrahlung zeichnen, halte ich für Quantenfluktuationen. Ebenso ist doch der Casimir- Effekt eher im Quantenbereich als in makroskopischen Skalen daheim.

Fluktuationen aber, die eine komplette Trennung von Materie zu Antimaterie bewirken sollen, müssten schon sehr deutlich makroskopisch sein, schließlich werden da ja enorme Massen voneinander getrennt.

Siehst Du, es geht doch noch weiter

Netten Gruß
gravi

[tomS]

Der Casimireffekt ist mit uns zugänglichen Methoden nachweisbar; man betrachtet zwei parallel ausgerichtete Platten, d.h. man ist deutlich oberhalb von atomaren Größenordnungen.

Jetzt muss ich doch nochmal nachhaken: die Trennung von Materie und Antimaterie könnte auf mikroskopischen Skalen erfolgen, die anschließend durch die Inflation auf makroskopische Skalen vergrößert werden - das war meine Idee. Dazu brauche ich dann eben keine makroskopische Fluktuation.

[gravi]

Ich verstehe durchaus Deinen Gedankengang, lieber Tom.
Zum Zeitpunkt der Inflation war das Universum ja noch recht winzig und die Abstände daher extrem gering. Es könnte im Prinzip sogar zu dem von Dir genannten Effekt kommen, dass eben Teilchen, die bis dahin miteinander kommunizierten, nun sehr schnell auseinander driften und nichts mehr miteinander zu tun haben.

Selbst in der SF sind ja auch schon ganze Galaxien aus Antimaterie genannt worden, obwohl meines Wissens noch nirgendwo im All größere Ansammlungen von AM gefunden wurden.

Also im Prinzip könnte das sein (jeder Physiker wird aber besser beurteilen können wie ich), doch stoße mich nach wie vor daran, dass die Mateie/AM erst entstanden, als die Inflationsphase bereits abgeschlossen war.

Zum Casimir- Effekt muss ich Dir Recht geben. Ist zwar ein Quanteneffekt, aber makroskopisch nachweisbar.

Gruß
gravi

[tomS]

OK - machen wir Schluss damit. Solange keiner was berechnen kann, ist das alles nur Spekulation.

[AlTheKingBundy]

ich halte toms spekulation für gar nicht so schlecht, klar kann man da erst mal nichts beweisen, aber es gehört zu den großen rätseln in der physik, diese frage zu klären.

allerdings halte ich es für unwahrscheinlich, dass dieser effekt dafür verantwortlich sein soll, da es schon eine starke antisymmetrie bedeuten würde und der antimateriehaufen sich auch noch zufällig unserer sichtbarkeit entzieht.

ich kann ja noch etwas spekulationsfeuer entfachen. vielleicht kam es unmittelbar zu beginn des urknalls zu einer abspaltung eines antimaterieuniversums, welches sozusagen als paralleluniversum neben dem unseren existiert aber aufgrund einer anderen raum-zeit-struktur unzugänglich ist (ich fange schon an wie die stringser zu argumentieren)