Verletzung der Zeitsymmetrie beobachtet

Menlo Park (USA) – Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt das Wissen um die Bausteine der Materie – die Elementarteilchen – und die Kräfte, die zwischen ihnen herrschen. Grundlage des Modells sind dabei Annahmen über Symmetrien, die allen physikalischen Vorgängen zugrunde liegen. Dass die Zeit selbst auf subatomaren Skalen eine bevorzugte Richtung hat, also nicht jeder Prozess in der Natur symmetrisch ist, wenn die Zeit umgekehrt wird, war eine Vorhersage des Standardmodells, für die Physiker bisher nur indirekte Hinweise hatten. In der Zeitschrift „Physical Review Letters“ wurde jetzt eine neue Auswertung der Daten des BaBar-Experiments am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) in Kalifornien vorgestellt, die diese Zeitasymmetrie klar bestätigt.

Eine große Maschine, in deren Zentrum ringförmig der BaBar-Beschleuniger liegt. Als Größenvergleich steht daneben ein Mann, der in der Höhe nur etwa ein Drittel des gesamten Detektors ausmacht.
BaBar-Detektor

Das BaBar-Experiment wurde ursprünglich geplant, um dem Ungleichgewichts zwischen Materie und Antimaterie auf den Grund zu gehen. Dabei ist die Untersuchung von Mesonen besonders interessant, weil Mesonen instabile, subatomare Teilchen sind, die jeweils aus einem Quark und einem Antiquark aufgebaut sind. Damit bestehen sie zur Hälfte aus Materie und zur anderen Hälfte aus Antimaterie. Seit Mitte der 60er Jahre wussten Physiker aus Experimenten mit sogenannten K-Mesonen, dass Materie und Antimaterie nicht exakt die gleichen Eigenschaften besitzen. Den Effekt, dass sich ein Teilchen bei einem Zerfallsprozess anders verhält als sein Antiteilchen, nennen sie CP-Verletzung. Gemeint ist die Verletzung zweier Symmetrien, die das Standardmodell beschreibt: Die C-Symmetrie der Ladung (englisch: charge) und die P-Symmetrie der sogenannten Parität, die eine Eigenschaft von Teilchen charakterisiert, die man mit der Rechts- oder Linkshändigkeit vergleichen kann. Vertauscht man bei einem physikalischen Prozess jedes Teilchen mit seinem Antiteilchen, und spiegelt es dazu noch, sodass links und rechts ihre Rollen wechseln, läuft der Vorgang unter Umständen anders ab. Physiker konnten mithilfe der BaBar-Daten, die von 1999 bis 2008 gesammelt wurden, dieses Phänomen bei sogenannten B-Mesonen nachweisen. Ein Team von Wissenschaftlern erhielt daraufhin 2008 den Physiknobelpreis für die Erklärung der beobachteten Asymmetrie.

Im Gegensatz zur CP-Symmetrie hatte es bislang nur indirekte Hinweise auf eine weitere Symmetrieverletzung gegeben, die Verletzung der Zeit- oder T-Symmetrie (englisch: time). Während es auf makroskopischen Skalen einen klaren Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft gibt, verschwindet diese Ungleichheit für ein subatomares Teilchen oft. Wenn die Reaktion der Teilchen also rückwärts in der Zeit ablaufen würde, wäre der Vorgang physikalisch genauso plausibel. Dass nicht alle Prozesse so symmetrisch bei Zeitumkehr sind, wurde zwar schon lange theoretisch vermutet, doch der Effekt ist in Experimenten nicht leicht von der CP-Verletzung zu trennen. „In der Vergangenheit hatte man angenommen, dass ein wirklicher Test zur Symmetrie der Zeitumkehr mit instabilen Teilchen unmöglich ist“, erklärt José Bernabéu von der Universität Valencia, der bei der Auswertung der BaBar-Ergebnisse mitgearbeitet hat.

Mit den Daten zu über 400 Millionen B-Mesonen-Zerfällen gelang es den Physikern der BaBar-Kollaboration jedoch trotzdem, die Brechung der T-Symmetrie direkt nachzuweisen. Sie werteten dazu spezielle Umwandlungsprozesse der B-Mesonen aus, in denen die Teilchen zwischen zwei Zuständen wechseln. Dabei stellten sie fest, dass die untersuchten Transformationen sechsmal häufiger in einer Richtung als in der anderen stattfinden – ein deutlicher Hinweis auf die Zeitasymmetrie. Die Ergebnisse sind dabei extrem aussagekräftig, sie haben eine Signifikanz von 14 Sigma – um ein neues Resultat in der Physik offiziell als Entdeckung bezeichnen zu dürfen, reichen schon zwischen fünf und sechs Sigma aus. „Das ist eine neue Art und Weise, die Daten zu verstehen, die wir schon zur Messung der CP-Verletzung benutzt hatten,“ erklärt BaBar-Koordinator Abner Soffer von der Universität Tel Aviv. „Indem wir unseren Blickwinkel leicht verändert haben, konnten wir zweifellos auch die Zeitverletzung sehen. Besonders schön ist die Tatsache, dass dieser Effekt die ganze Zeit da war, aber das niemand zuvor richtig erkannt hatte.“