Antimaterie im Universum

Die Entwicklung des Universums

Bildbeschreibung:
Die Entwicklung des Universums von der Erzeugung der kleinsten Bausteine der Materie im Urknall bis zu den gegenwärtigen kosmologischen Strukturen.

Das gegenwärtige Verständnis der Physik beinhaltet die Existenz der Antimaterie. Dabei sind bei Erhaltung der CPT-Invarianz - also unter der Voraussetzung, dass sich Antimaterie und Materie exakt gleich verhalten - alle Eigenschaften der Antimaterie aus denen der Materie vorhersagbar. Materie und Antimaterie vernichten sich gegenseitig zu Energie oder werden simultan aus Energie erzeugt. Wenn aber diese Symmetrie in der Erzeugung von Materie und Antimaterie gilt, dann sollte sie doch wohl auch zum Zeitpunkt der Entstehung des Universums, zum Zeitpunkt des Urknalls, gegolten haben. Oder haben sich die Gesetze der Physik auf dem Weg bis heute geändert und es galten zu Beginn allen Werdens andere Gesetze als heute? Wo ist die Antimaterie geblieben, die im Urknall entstanden sein muss?

Wir wissen, dass Antimaterie in natürlicher Form nicht auf der Erde vorhanden ist. Kosmologen sagen uns, dass Antimaterie mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht innerhalb eines Radius von 30 Millionen Lichtjahren um uns herum existiert. Darüber hinaus bleibt die Spekulation, dass weit entfernte Galaxien aus Antimaterie bestehen könnten.

Grundlegend sind solche Überlegungen gar nicht so neu, denn schon Aristoteles führte in seinem Werk "Über den Himmel - Vom Werden und Vergehen" aus: "Die Pythagoräer behaupten, gegenüber von dieser Erde sei noch eine zweite, die so genannte unsichtbare "Gegenerde", unsichtbar, weil diametral entgegengesetzt der Erde, jenseits des Feuers, aber sonst bis in das Kleinste gleich."

Das Alpha Magnetic Spectrometer

Auch heute sind wir nicht sicher, ob eine Antiwelt - wie auch immer gestaltet - ganz in den Bereich der Phantasie gerückt werden sollte. Im Urknall entstandene Antimaterie könnte bis heute irgendwo übrig geblieben sein.

Alpha Magnetic Spectrometer AMS an der Raumstation ISS.

Bildbeschreibung:

Modell der internationalen Raumstation ISS mit dem Alpha-Magnetischen Spektrometer AMS, das im All nach schweren Antielementen suchen soll.

Dies zu untersuchen, ist Ziel des Alpha Magnetic Spectrometer (AMS, Alpha-Magnetisches Spektrometer), das schon lange auf der internationalen Raumstation ISS installiert werden sollte, dessen Einsatz aber zunächst durch Schwierigkeiten bei der NASA verzögert worden ist.

Mit diesem Nachweisgerät sollte es möglich sein, Kerne von Antiatomen aus Antigalaxien, sofern vorhanden, ausfindig zu machen. Insbesondere Kerne wie Antisauerstoff oder Antikohlenstoff würden die Existenz von Gestirnen aus Antimaterie beweisen, denn derart schwere Kerne können nur durch Prozesse der Kernfusion innerhalb von Gebilden aus Antimaterie geformt worden sein.

Mögliche Erklärungen

Im Jahre 1967 formulierte Andrei Sakharov drei zentrale Bedingungen, die die Grundlage für alle weiteren Versuche bildeten, den in unserem Universum beobachteten Überschuss von Materie und Mangel an Antimaterie zu erklären:

• Es müssen Prozesse vorhanden sein, die die Zahl der aus Quarks zusammengesetzten Materieteilchen (der so genannten Baryonen) verändert.
• Die uns bekannten Naturgesetze müssen derart gestaltet sein, dass ein Materieüberschuss gegenüber Antimaterie entsteht, d.h. es muss eine Verletzung der C- und CP-Symmetrie vorliegen.
• Prozesse, die die Erhaltung der Baryonen-Zahl verletzen, müssen im thermischen Ungleichgewicht stattfinden oder stattgefunden haben, da im thermischen Gleichgewicht die Sekundärprodukte eines zerfallenden Teilchens mit gleicher Häufigkeit auch wieder in ihr Ursprungsteilchen rekombinieren würden.

Wie mittlerweile zweifelsfrei bewiesen ist, existiert eine CP-Verletzung. Diese mag für die Bildung des Materieüberschusses in frühen Zeiten der Entwicklung des Universums mitverantwortlich gewesen sein, auch wenn der Teil ihrer Stärke, der heute bekannt ist, nicht ausreichend erscheint, um den gesamten Effekt zu erklären. Eine Alternative zu den drei Sakharov-Bedingungen, die - auch im thermischen Gleichgewicht - zu hoher Baryon-Asymmetrie führen könnte, ist eine Baryonenzahl-Verletzung bei Brechung der CPT-Invarianz.

Die Aufgabe der Wissenschaftler besteht nun darin, ergänzende Prozesse oder neue Quellen der CP-Verletzung auszumachen, und/oder festzustellen, ob alle Wechselwirkungen zwischen den Teilchen wirklich invariant gegenüber der CPT-Operation sind. Hierfür wurden etliche Messungen an verschiedenen Teilchensystemen gemacht, und an vielen Experimentiereinrichtungen werden derzeit Versuche geplant und durchgeführt. In diesem Zusammenhang sind die vergleichende Spektroskopie von Wasserstoff und Antiwasserstoff und darüber hinaus die Bestimmung der Wirkung der Gravitationskraft auf Wasserstoff und Antiwasserstoff, wie sie bei den Experimenten ALPHA und ATRAP am CERN geplant sind, von besonderem Interesse. Diese Untersuchungen werden mit Sicherheit eine Antwort bereithalten, wenn die Versuche erfolgreich abgeschlossen werden können.

Neue Einblicke in die Gesetze des Universums?

In jedem Falle müssen wir die Frage nach der Ursache des Überschusses von Materie über die Antimaterie an die Natur stellen. Eine Antwort werden wir auch bekommen - sie wird um so präziser sein, je genauer wir die Frage formulieren, und sie wird uns in unserem Verständnis tiefer in die Geheimnisse der Natur vorstoßen lassen.

Die Situation heute scheint ähnlich derjenigen zu Beginn des 20. Jahrhunderts, als - nach dem Aufstellen der Maxwell'schen Formeln zum Elektromagnetismus - ein einheitliches Bild der Physik und der Phänomene der Natur fast vorzuliegen schien, und nur ein paar kleine Effekte noch nicht ganz erklärbar waren. So wie damals ein genaueres Hinsehen zu grundlegend neuen Beschreibungen und Erkenntnissen führte, eine wirkliche Renaissance der Physik einleitete, so wartet eine eindeutige Antwort auf die Frage der Asymmetrie der Materie gegenüber der Antimaterie heute noch darauf, gegeben zu werden - eine Antwort, die uns womöglich grundlegend neue Einblicke in die Gesetzmäßigkeiten des Universums gewähren wird. Denn das Weltbild der Physik, wie es im Standardmodell der Teilchenphysik zusammengefasst wird, kann eine CP-Verletzung zwar beschreiben, aber nicht quantitativ erklären.

Fragen der mikroskopischen Skala dienen dazu, den Makrokosmos zu erklären; die Phänomene des Mikrokosmos und des Makrokosmos ergänzen sich gegenseitig. Auf die Frage, ob wir überhaupt eine signifikante Erklärung unserer Existenz erwarten können, sei zum einen auf die erheblichen Erfolge verwiesen, die die Physik schon erreicht hat, zum anderen möge zum Schluss Stephen Hawking zitiert sein:

"The human race has always wanted to look beyond the horizon ... On either side of us, the Universe has structure on scales up to about a thousand billion billion billion times bigger or smaller than our own. Because this range is not quite infinite, there is hope that we may one day completely understand the structure of the Universe. The search for the almost infinite."

"Die Menschheit wollte schon immer jenseits des Horizonts blicken ... Auf jeder Seite von uns besitzt das Universum Strukturen auf Skalen, die bis zu etwa Tausend Milliarden Milliarden Milliarden Mal größer oder kleiner sind als wir. Weil diese Spanne nicht ganz unendlich ist, besteht die Hoffnung, dass wir eines Tages die Struktur des Universums vollständig verstehen werden. Die Suche nach dem fast Unendlichen."