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Die Baryogenese ist die Theorie zur dynamischen Entstehung griech Genese der Baryonenasymmetrie d h des Ungleichgewichts von Materie Baryonen und Antimaterie Antibaryonen im Universum Auf die Baryogenese folgte die weitaus besser verstandene primordiale Nukleosynthese Inhaltsverzeichnis 1 Fragestellung 2 Sacharows Bedingungen fur die Baryonenasymmetrie 2 1 Nichterhaltung der Baryonenzahl 2 2 Brechung von C und CP Symmetrie 2 3 Thermisches Ungleichgewicht 3 Leptogenese 4 Literatur 5 EinzelnachweiseFragestellung BearbeitenUnser sichtbares Universum besteht uberwiegend aus Materie und nur zu einem geringen Bruchteil aus Antimaterie Beide Materiearten zerstrahlen beim Zusammentreffen unter Energiefreisetzung in einer Annihilations Reaktion Einerseits gibt es die Moglichkeit anzunehmen dass diese Asymmetrie eine zufallige Anfangsbedingung des Universums darstellt Andererseits ware es aber naheliegender davon auszugehen dass Materie und Antimaterie zu Beginn des Universums in gleichen Mengen vorlagen und die Asymmetrie erst dynamisch wahrend der Entwicklung des Universums bis zum heutigen Zeitpunkt entstand Theoretische Modelle die dies bewerkstelligen werden unter dem Begriff Baryogenese zusammengefasst Sacharows Bedingungen fur die Baryonenasymmetrie Bearbeiten Hauptartikel Sacharowkriterien Andrei Sacharow erkannte 1967 als erster die Bedingungen die fur das Auftreten der Asymmetrie notwendig sind Unabhangig von ihm fand auch der russische Forscher Wadim Alexejewitsch Kusmin 1970 diese Bedingungen Sacharows Arbeiten waren lange Zeit im Westen nicht bekannt Noch vor ihrem Bekanntwerden veroffentlichte Leonard Susskind mit Savas Dimopoulos unabhangig eine Theorie der Baryogenese die zu ahnlichen Schlussfolgerungen kam 1 Die verschiedenen Theorien unterscheiden sich hinsichtlich der Art und Weise wie diese Bedingungen im Einzelnen theoretisch erfullt werden Nichterhaltung der Baryonenzahl Bearbeiten Die Baryonenzahl B displaystyle B nbsp darf nicht konstant sein sondern muss sich im Laufe der Entwicklung des Universums nach dem Urknalls andern das heisst sie wird dynamisch erzeugt Die Bedingung ist in vielen GUTs Grosse vereinheitlichte Theorie erfullt in denen die Baryonenzahl zum Beispiel beim bisher nicht beobachteten Protonzerfall verletzt wird Als Beispiel kann man den hypothetischen Fall des Zerfalls eines schweren Teilchens wie einem X Boson in einer GUT betrachten dessen baryonenverletzende Zerfallsreihen einmal in zwei Quarks jeweils mit Baryonenzahl 1 3 einmal in ein Antiquark Baryonenzahl 1 3 und ein Lepton Baryonenzahl 0 zerfallt 2 51 X Boson up Quark up Quark 49 X Boson Anti down Quark Positron dd B displaystyle Rightarrow B nbsp 0 51 2 3 0 49 1 3 0 177Das Antiteilchen des X Bosons zerfallt dagegen mit leicht unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten 49 Anti X Boson Anti up Quark Anti up Quark 51 Anti X Boson down Quark Elektron dd B displaystyle Rightarrow B nbsp 0 49 2 3 0 51 1 3 0 157Auch schon innerhalb des Standardmodells gibt es einen moglichen Mechanismus der Verletzung der Baryonenzahl durch die hypothetische Sphaleron Wechselwirkung zwischen Quarks und Leptonen Brechung von C und CP Symmetrie Bearbeiten Die C und CP Symmetrien zwischen Teilchen und Antiteilchen mussen gebrochen werden Symmetriebrechung Der Grund liegt darin dass der Baryonenzahloperator sich ungerade unter C und CP verhalt er wechselt das Vorzeichen Zurzeit sind nur sehr schwache CP Verletzungen bekannt in der Theorie als komplexe Phase in der CKM Matrix die das Vorhandensein der Baryonenasymmetrie noch nicht erklaren konnen Die CP Symmetrie C fur engl charge Ladung P fur parity Paritat wobei links und rechtshandige Chiralitat unterschieden wird beschreibt einen Verlauf bei dem ein Teilchen in ein Antiteilchen oder umgekehrt verwandelt wird und die Paritat die Raumorientierung sich andert Auch C und P Symmetrie und da insgesamt CPT Symmetrie herrscht mit der CP auch die T Symmetrie sind im schwachen Sektor des Standardmodells verletzt Die C Symmetrie beschreibt den Ubergang von Teilchen zu Antiteilchen Im geladenen Sektor der schwachen Wechselwirkung uber geladene W Bosonen vermittelt wechselwirken aber nur linkshandige Fermionen und ihre rechtshandigen Antiteilchen miteinander die C und die P Symmetrie sind einzeln gebrochen nur die kombinierte CP Symmetrie ist bis auf die erwahnten im Kaonsystem entdeckten Ausnahmen erhalten Eine weitere Moglichkeit zur Baryogenese ware eine direkte Teilchen Antiteilchen Asymmetrie gebrochene C Symmetrie etwa wenn sich die Massen oder andere Eigenschaften von Proton und Antiproton auch nur um einen geringen Wert unterscheiden wurden sie annihilieren sich dann nicht vollstandig was aber bisher nicht gefunden wurde Thermisches Ungleichgewicht Bearbeiten Es muss zu einer Abweichung vom thermischen Gleichgewicht kommen denn sonst wurde durch die bei den hohen Dichten und Energien des fruhen Universums mit gleicher Rate ablaufende umgekehrte Reaktion keine Baryonenzahl ungleich Null erzeugt Nur wenn die Expansion des Universums mit vergleichbarer Rate erfolgt beschrieben durch die zeitlich veranderliche Hubble Konstante H displaystyle H nbsp wie die Reaktionsraten G A i displaystyle Gamma A i nbsp der baryonenzahlverletzenden Reaktionen eines Teilchens A etwa dem Zerfall eines schweren X Bosons in einer der GUTs kommt es zur Bildung von Baryonen Solange G A i H displaystyle Gamma A i geq H nbsp sind die Reaktionen noch im thermischen Gleichgewicht und es gibt keine Baryogenese Sie findet erst statt falls die durch H beschriebene Ausdehnung des Universums so schnell ist dass die umgekehrte Reaktion mit sehr viel geringerer Wahrscheinlichkeit stattfindet zum Beispiel weil die Dichte der beteiligten Ausgangsteilchen zu gering ist oder ihre Energie zu niedrig die Reaktionsrate G s v r displaystyle Gamma sigma v rho nbsp hangt von Wirkungsquerschnitt s displaystyle sigma nbsp Relativgeschwindigkeit der Teilchen v displaystyle v nbsp also der Energie und Dichte r displaystyle rho nbsp ab Das gilt fur G A i lt H displaystyle Gamma A i lt H nbsp Ein weiterer Punkt ist die Art des Phasenubergangs bei der Baryogenese Er sollte erster Art sein damit sich die Bubble mit den schon gebildeten Baryonen vereinigen ahnlich dem Ubergang Gas Flussigkeit wo der kuhleren flussigen Phase die Baryonen Phase entspricht Bei einem Phasenubergang zweiter Art findet dagegen ein kontinuierlicher Ubergang statt Aus diesem Grund wird ein Sphaleron Ubergang nach dem ublichen kosmologischen Szenario mit Kopplung an einen elektroschwachen Symmetriebruch ausgeschlossen da dieser nur bis 73 GeV Masse des Higgsteilchens 1 Art ist das Higgsteilchen aber 123 GeV Masse besitzt Sphaleronen werden aber weiterhin in Szenarien jenseits des Standardmodells fur die Baryogenese diskutiert Leptogenese BearbeitenEinige neuere Theorien zur Entstehung der Baryonenasymmetrie favorisieren statt einer direkten Verletzung der Baryonenasymmetrie die Leptogenese Masataka Fukugita Tsutomu Yanagida 1986 3 Hier wird die Asymmetrie zunachst zwischen Leptonen und Antileptonen erzeugt und dann durch Sphaleron Prozesse in die Baryonenasymmetrie konvertiert Eine weitere Theorie der Leptogenese uber den Zerfall von sterilen Majorana Neutrinos und anschliessender Baryogenese uber Sphaleronen entwickelte Wilfried Buchmuller mit Kollegen in den 1990er Jahren Literatur BearbeitenJames M Cline Der Ursprung der Materie In Spektrum der Wissenschaft November 2004 S 32 41 M E Shaposhnikov Electroweak baryogenesis Contemporary Physics 1998 Band 39 S 177Einzelnachweise Bearbeiten Leonard Susskind Savas Dimopoulos Baryon Number of the Universe Physical Review D Band 18 1978 S 4500 Dieses Beispiel mit willkurlich nur den Vorgang illustrierenden Wahrscheinlichkeiten findet sich in David Cline Ursprung der Materie Spektrum der Wissenschaft November 2004 Kasten S 36 Wilfried Buchmuller Roberto Peccei Tsutomu Yanagida Leptogenesis as the origin of matter In Annual Review of Particle and Nuclear Physics Band 55 2005 S 311 355 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Baryogenese amp oldid 237151923