Baryogenese

Unter Baryonenasymmetrie versteht man das Missverhältnis von Baryonen zu Antibaryonen.

Fragestellung

Unser sichtbares Universum besteht überwiegend aus Materie und nur zu einem geringen Bruchteil aus Antimaterie. Beide Materiearten zerstrahlen beim Zusammentreffen zu Energie. Dieses Ungleichgewicht beider Materiearten beschäftigt die Wissenschaft, die hierfür eine Erklärung zu finden sucht.

Diese Asymmetrie wurde als erstes 1967 von Andrej Sacharow erkannt, der die Bedingungen für das Auftreten der Asymmetrie formulierte, unabhängig von ihm erkannte der russische Forscher Wadim Kuzmin 1970, ebenfalls die notwendigen Bedingungen. Alle Forscher vor ihm setzen das Übergewicht an Baryonen als Axiom für den Urknall voraus, suchten nach den Antibaryonen oder hielten das Übergewicht von Baryonen als ein Zufallsprodukt.

Sacharows Bedingungen für die Baryonenasymmetrie

1. Nichterhaltung der Baryonenzahl

Die Baryonenzahl darf bei der Entstehung nicht konstant sein, sondern ändert sich im Laufe des Urknalls. In der GUT (Große vereinheitlichte Theorie) gibt es zwei Arten wie ein schweres theoretisches X-Boson zerfallen könnte. Beide Verfallsreihen treten jedoch mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten auf, dadurch ändert sich die Baryonenzahl.
z.B.:
51% X-Boson ---> up-Quark + up-Quark
49% X-Boson ---> Anti down-Quark + Positron

(2/3 x 0,51) - (1/3 x 0.49) = 0,177 Baryonen)

Das Antiteilchen X- Boson zerfällt nun wie folgt:

49% Anti X-Boson ---> Anti up-Quark + Anti up-Quark
51% Anti X-Boson ---> down-Quark + Positron

(-2/3 x 0,49) + (1/3 x 0,51) = -0,157 Baryonen

Die Verletzung der Baryonenzahl, kann durch die sogenannte Sphaleron-Wechselwirkung zwischen Quarks und Leptonen erklärt werden.

2. Symmetriebrechung

Zwei Symmetrien zwischen Teilchen und Antiteilchen müssen gebrochen werden. Die CP-Symmetrie (C= Charge & P= Parität) beschreibt einen Verlauf, bei dem ein Teilchen in ein Antiteilchen (oder umgekehrt) verwandelt wird und die Parität (die Raumorientierung) sich ändert. Lässt sich dieser Verlauf nicht eindeutig umkehren, so spricht man von einer Symmetriebrechung. Zur Zeit sind nur sehr schwache CP-Verletzungen bekannt, die das vorhanden sein der Baryonenasymmetrie noch nicht erklären können.

3. Thermisches Ungleichgewicht

Es muss zu einem Verlust des thermischen Gleichgewichts kommen. Durch die Expansion des Universums kommt es zu einer Abkühlung des selbigen, dadurch können nicht mehr alle Reaktionen gleichwahrscheinlich ablaufen und zwei Quarks haben nicht mehr die nötige Energie, um ein X-Boson zu erzeugen, so dass Sacharows dritte Bedingung erfüllt ist.

Literatur

Spektrum der Wissenschaft, James M. Cline, November 2004, Seite 32-41
Electroweak baryogenesis von M.E. Shaposhnikov, Contemporary Physics, 1998, Band 39 Seite 177