Antimaterie als Spiegelbild der Materie?

Ein Spiegelbild ist das exakte Gegenüber des Originals, der Spiegel ist eine Symmetrieebene. Das "Anti" als das Gegenüber, der Gegenpunkt oder das Ergänzende ist fest in unserem täglichen Sprachgebrauch und Erlebensraum verankert. In der Physik ist die Frage, ob sich ein gespiegeltes (beziehungsweise transformiertes System) unter verschiedenen Wechselwirkungen genauso verhält wie sein Original, von grundlegendem Interesse. Zeigt Antimaterie das gleiche Verhalten wie Materie? Oder, um im Rahmen der Analogie von Geld (Haben) und Antigeld (Schulden) auf dem Konto zu bleiben: Haben Geld und Antigeld den gleichen Zinssatz?

Verhalten sich die Systeme Original und Antioriginal (gespiegeltes Original) unter einer bestimmten Transformation gleich (was als Invarianz bezeichnet wird), so ist damit ein so genannter Erhaltungssatz verknüpft - ein Gesetz, nach dem eine bestimmte Größe während der Transformation unverändert bleibt.

Der CPT-"Spiegel"

• C: Umkehr der Ladungen,
• P: Vertauschen von rechts und links in allen drei Raumdimensionen und 
• T: Umkehr der Zeitrichtung.

Das periodische System der Elemente und sein Spiegelbild

Bildbeschreibung:

Das Periodensystem der Elemente, aus dem sich die unbelebte und belebte Natur aufbaut. Diesem stellt die CPT-Transformation - d.h. die gleichzeitige Anwendung von Ladungsaustausch, Paritätsoperation und Zeitumkehr - ein entsprechendes, spiegelbildliches Periodensystem der Antielemente gegenüber.

Das CPT-Theorem besagt, dass sich ein derart transformiertes System unter allen physikalischen Wechselwirkungen genauso verhält wie das Ursprungssystem. Gilt das CPT-Theorem, so bedeutet dies, dass Materie und Antimaterie vollständig symmetrisch sind. Bezogen auf das Beispiel von Geld und Antigeld hieße das, dass es für Geld genauso viel Zinsen gibt wie für Schulden - was im realen Bankgeschäft allerdings nicht der Fall ist.

Der CPT-"Spiegel" stellt also dem periodischen System der Elemente, aus dem sich unsere Welt mit all ihren Formen der unbelebten und belebten Natur aufbaut, ein Periodensystem der Antielemente gegenüber: Wasserstoff hat als Spiegelbild Antiwasserstoff, genauso wie beispielsweise Kohlenstoff-Antikohlenstoff, Eisen-Antieisen oder Blei-Antiblei. Als Antipartner von Wasserstoff ist Antiwasserstoff der leichteste Vertreter des periodischen Systems der Antielemente.

Experimentelle Überprüfung

Materie und Antimaterie trennt also ein Spiegel, der nichts mit Magie zu tun hat, sondern durch die Operation "CPT" in der Physik beschrieben wird. Die Frage stellt sich nun, ob dieses CPT-Theorem auch einer experimentellen Überprüfung standhält, denn eine Verletzung der CPT-Invarianz könnte eine Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie erklären.

Dass die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen unter jeder einzelnen der Operationen C, P und T invariant sind, war früher allgemein akzeptiert. Bis zum Jahr 1956 ging man davon aus, dass die Paritätsoperation (P) für sich allein genommen bereits zu den gleichen Gesetzmäßigkeiten im rechts-links-vertauschten Spiegelbild führte wie im Originalsystem. Es wurden allerdings Merkwürdigkeiten beobachtet, die nahe legten, dies experimentell zu prüfen - und in der Tat, seither wissen wir, dass die Natur rechts und links nicht als gleichwertig ansieht. Dies wird zum Beispiel beim Zerfall eines ausgerichteten ⁶⁰Co-Atoms deutlich, bei dem eine Vorzugsrichtung der ausgestrahlten Elektronen beobachtet wird.

Linkshändige Neutrinos und rechtshändige Antineutrinos

Bildbeschreibung:

Durch die Paritätsoperation (P) wird aus einem linkshändigen Neutrino ein rechtshändiges Neutrino, das in der Natur nicht existiert. Durch die Operation des Ladungsaustauschs (C) wird aus einem linkshändigen Neutrino ein linkshändiges Antineutrino, das in der Natur nicht existiert. Durch die Kombination von Paritätsoperation und Ladungsaustausch (CP) wird aus einem linkshändigen Neutrino ein rechtshändiges Antineutrino, das in der Natur tatsächlich existiert.

Ein weiteres Beispiel der Paritätsverletzung ist in der Abbildung gezeigt. In der Natur existieren nur linkshändige Neutrinos, bei denen Impulsrichtung und Spinorientierung entgegengesetzt gerichtet sind. Rechtshändige Neutrinos mit paralleler Impuls- und Spinrichtung (ein System, das sich aus Anwendung der Paritätsoperation ergibt) werden dagegen nicht beobachtet.

Nachdem eine generelle Invarianz der Wechselwirkungen unter der Paritätsoperation (P) nicht mehr aufrechterhalten werden konnte, galt bis 1964 die Invarianz unter der CP-Operation. Doch dann konnte am Zerfall neutraler Kaonen eine CP-Verletzung beobachtet werden: Die Zerfälle von Kaonen und deren CP-transformiertem System, den Antikaonen, zeigen eine Nicht-Symmetrie bezüglich der CP-Transformation und damit ein nicht gleiches Verhalten von Materie- (Kaon) und Antimaterieteilchen (Antikaon). Neueste Ergebnisse am System der so genannten B-Mesonen etablieren zurzeit einen weiteren Kandidaten für die CP-Verletzung.

Der Nachweis einer möglichen Verletzung der CPT-Invarianz ist derzeit Gegenstand der Forschung in zahlreichen unterschiedlichen Teilchensystemen, und zwar nicht mehr nur an einzelnen Antimaterieteilchen: Mit der Verfügbarkeit von Antiwasserstoff bietet sich nun auch die Möglichkeit, ganze Atome aus Antimaterie (Antiwasserstoff) direkt mit ihren Materiepartnern (Wasserstoff) zu vergleichen.