Das Standardmodell der Teilchenphysik ist seit Jahrzehnten das vorherrschende Mittel, um zu erklären, was die Grundbausteine der Materie sind und wie sie interagieren. Das Modell wurde erstmals in den 1970er Jahren vorgeschlagen und behauptet, dass es für jedes erzeugte Partikel ein Antiteilchen gibt. Ein dauerhaftes Rätsel dieses Modells ist daher, warum das Universum existieren kann, wenn es theoretisch zu gleichen Teilen aus Materie und Antimaterie besteht.
Diese scheinbare Ungleichheit, bekannt als Charge-Parity (CP) -Verletzung, ist seit vielen Jahren Gegenstand von Experimenten. Bisher wurde jedoch kein endgültiger Beweis für diese Verletzung erbracht oder wie viel Materie im Universum ohne sein Gegenstück existieren kann. Dank neuer Erkenntnisse aus der internationalen Zusammenarbeit zwischen Tokai und Kamioka (T2K) können wir dem Verständnis, warum diese Ungleichheit besteht, einen Schritt näher kommen.
Die erstmals 1964 beobachtete CP-Verletzung schlägt vor, dass unter bestimmten Bedingungen die Gesetze der Ladungssymmetrie und der Paritätssymmetrie (auch bekannt als CP-Symmetrie) nicht gelten. Diese Gesetze besagen, dass die Physik eines Teilchens dieselbe sein sollte, wenn es gegen sein Antiteilchen ausgetauscht würde, während seine Raumkoordinaten invertiert würden. Aus dieser Beobachtung ging eines der größten kosmologischen Geheimnisse hervor.
Wenn die Gesetze, die Materie und Antimaterie regeln, gleich sind, warum ist das Universum dann so von Materie dominiert? Wenn Materie und Antimaterie sich grundlegend unterscheiden, wie stimmt dies dann mit unseren Vorstellungen von Symmetrie überein? Die Beantwortung dieser Fragen ist nicht nur für unsere vorherrschenden kosmologischen Theorien wichtig, sondern auch für das Verständnis der Funktionsweise der schwachen Wechselwirkungen, die Teilchen steuern.
Die internationale T2K-Zusammenarbeit wurde im Juni 2011 gegründet und ist das weltweit erste Experiment, das sich der Lösung dieses Rätsels durch die Untersuchung von Neutrino- und Anti-Neutrino-Oszillationen widmet. Das Experiment beginnt mit hochintensiven Strahlen von Myon-Neutrinos (oder Myon-Anti-Neutrinos), die im Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) erzeugt werden und dann auf den 295 km entfernten Super-Kamiokande-Detektor abgefeuert werden.
Dieser Detektor ist derzeit einer der größten und fortschrittlichsten der Welt und widmet sich der Detektion und Untersuchung von solaren und atmosphärischen Neutrinos. Während sich Neutrinos zwischen den beiden Einrichtungen bewegen, ändern sie ihren „Geschmack“ - von Myonenneutrinos oder Anti-Neutrinos zu Elektronenneutrinos oder Anti-Neutrinos. Bei der Überwachung dieser Neutrino- und Anti-Neutrino-Strahlen wird im Experiment auf unterschiedliche Schwingungsraten geachtet.
Dieser Unterschied in der Schwingung würde zeigen, dass es ein Ungleichgewicht zwischen Partikeln und Antiteilchen gibt, und somit zum ersten Mal den ersten endgültigen Beweis für eine CP-Verletzung liefern. Es würde auch darauf hinweisen, dass es Physik jenseits des Standardmodells gibt, die Wissenschaftler noch nicht untersucht haben. Im vergangenen April wurde der erste von T2K erstellte Datensatz veröffentlicht, der einige aussagekräftige Ergebnisse lieferte.
Mark Hartz, ein T2K-Mitarbeiter und Assistenzprofessor des Kavli IPMU-Projekts, sagte kürzlich in einer Pressemitteilung:
"Obwohl die Datensätze noch zu klein sind, um eine schlüssige Aussage zu treffen, haben wir eine schwache Präferenz für große CP-Verstöße festgestellt und freuen uns, weiterhin Daten zu sammeln und sensibler nach CP-Verstößen zu suchen."
Diese Ergebnisse, die kürzlich in der veröffentlicht wurden Physical Review Letters, umfassen alle Datenläufe von Januar 2010 bis Mai 2016. Insgesamt umfassten diese Daten 7,482 x 1020 Protonen (im Neutrino-Modus), die 32 Elektronen-Neutrino- und 135 Myon-Neutrino-Ereignisse und 7,471 × 10 ergaben20 Protonen (im Antineutrino-Modus), die 4-Elektronen-Anti-Neutrino- und 66-Myon-Neutrino-Ereignisse ergaben.
Mit anderen Worten, der erste Datenstapel hat einige Hinweise auf eine CP-Verletzung mit einem Konfidenzintervall von 90% geliefert. Dies ist jedoch erst der Anfang, und es wird erwartet, dass das Experiment noch zehn Jahre läuft, bevor es abgeschlossen wird. "Wenn wir Glück haben und der CP-Verletzungseffekt groß ist, können wir bis 2026 3 Sigma-Beweise oder ein Konfidenzniveau von etwa 99,7% für CP-Verstöße erwarten", sagte Hartz.
Wenn sich das Experiment als erfolgreich erweist, können Physiker möglicherweise endlich antworten, wie es ist, dass sich das frühe Universum nicht selbst vernichtet hat. Es ist wahrscheinlich auch hilfreich, Aspekte des Universums aufzudecken, auf die Teilchenphysiker unbedingt eingehen möchten! Dafür dürften hier die Antworten auf die tiefsten Geheimnisse des Universums gefunden werden, wie alle seine fundamentalen Kräfte zusammenpassen.
