CP-Verletzung

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Unter CP-Verletzung (C für engl. charge Ladung bzw. charge conjugation Ladungskonjugation; P für parity Parität) versteht man die Verletzung der CP-Invarianz. Letztere besagt, dass sich die physikalischen Zusammenhänge und Gesetzmäßigkeiten in einem System nicht ändern sollten, wenn alle Teilchen durch ihre Antiteilchen ersetzt und gleichzeitig alle Raumkoordinaten gespiegelt werden.

Entdeckung und Vorgeschichte[Bearbeiten]

Scheinbare P-Invarianz und Paritätsverletzung[Bearbeiten]

Gemäß der normalen Alltagserfahrung sollte sich die Physik in einer Spiegelwelt nicht von ihrem Original unterscheiden. Das heißt, jeder Vorgang, der in einem Spiegel beobachtet wird, sollte sich durch geeignete experimentelle Anordnung auch in der normalen Welt realisieren lassen (P-Invarianz).

Schon 1956 postulierten Tsung-Dao Lee und Chen Ning Yang allerdings, dass die Schwache Wechselwirkung, der der Beta-Zerfall unterliegt, die Punktsymmetrie verletzt. Noch im gleichen Jahr wurde diese Paritätsverletzung durch Chien-Shiung Wu im Wu-Experiment bestätigt. Die schwache Wechselwirkung bevorzugt dabei die Linkshändigkeit (bedeutet die „Drehrichtung links“ des Spins von Elementarteilchen) gegenüber der Rechtshändigkeit. Nur linkshändige Teilchen und rechtshändige Antiteilchen nehmen an ihr teil. An der elektromagnetischen und der starken Wechselwirkung nehmen links- und rechtshändige Teilchen mit gleicher Stärke teil.

Die Paritätsverletzung lässt sich gut an Neutrinos illustrieren, die ausschließlich schwach wechselwirken und nur als linkshändige Neutrinos und rechtshändige Antineutrinos vorkommen können. Unter der Paritätstransformation („Punktspiegelung“) wird aber aus einem linkshändigen Neutrino ein rechtshändiges Neutrino.

Scheinbare C-Invarianz und C-Verletzung[Bearbeiten]

Physikern ist schon seit den 1930er Jahren bekannt, dass es zu jedem Elementarteilchen ein Antiteilchen gibt. Ursprünglich sprachen die Theorie sowie Beobachtungen dafür, dass alle Wechselwirkungen und Zerfälle von Antiteilchen genau so ablaufen wie mit normalen Teilchen, dass sie also invariant unter Ladungskonjugation, kurz C-invariant, seien. Die elektromagnetische und die starke Wechselwirkung erhalten C. Beispielsweise ist das Coulombsche Gesetz invariant unter der Ladungskonjugation. Die schwache Wechselwirkung verletzt dagegen C, was sich ebenfalls an Neutrinos illustrieren lässt. Unter der Ladungskonjugation wird aus einem linkshändigen Neutrino ein linkshändiges Antineutrino, welches experimentell nicht beobachtet wird.

Scheinbare CP-Invarianz[Bearbeiten]

Vertauscht man zusätzlich zur Spiegelung auch noch Teilchen mit Antiteilchen (C+P), so entsteht kein Widerspruch mehr zu der oben genannten Situation, denn es wird aus einem linkshändigen Neutrino unter der CP-Transformation ein rechtshändiges Antineutrino.

Entdeckung der CP-Verletzung[Bearbeiten]

1964 entdeckten die amerikanischen Physiker James Christenson, James Cronin, Val Fitch und René Turlay (Nobelpreis für Physik für Cronin und Fitch 1980) eine winzige Unregelmäßigkeit beim Zerfall schwerer neutraler K-Mesonen (Kaonen), die auf eine Verletzung auch der kombinierten CP-Symmetrie schließen ließ. Bei der Untersuchung der Zerfälle von K_L^0-Mesonen (das L steht für long-lived, mittlere Lebensdauer (5,116±0,020)·10−8 s) in einem Experiment am Alternating Gradient Synchrotron des Brookhaven National Laboratory wurden mit einer Rate von etwa 2 ‰ die CP-verletzenden Zerfälle des K_L^0-Mesons in zwei geladene π-Mesonen (Pionen) beobachtet.

Verknüpfung mit dem Standardmodell[Bearbeiten]

Im Standardmodell der Teilchenphysik ist die Ursache der CP-Verletzung auf dem Quark-Sektor mit der Erzeugung der Quark-Massen verknüpft. Quarks erhalten ihre Masse durch Kopplung an das Higgs-Feld, wobei zwingend eine Massen-Mischungsmatrix auftritt, die nach den Physikern Nicola Cabibbo, Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa benannt ist (CKM-Matrix). 1972 zeigten Kobayashi und Maskawa, dass diese Matrix komplex ist, wenn in der Natur drei oder mehr Quark-Familien vorliegen. Bei drei Familien liegt der Theorie zufolge genau eine komplexe Phase in der unitären CKM-Matrix vor. Diese Phase ist im Standardmodell verantwortlich für die CP-Verletzung. Damit in Teilchen-Reaktionen CP-Verletzung aber überhaupt auftreten kann, müssen gewisse Voraussetzungen erfüllt sein. So muss es insbesondere mindestens zwei konkurrierende Prozesse geben, die vom selben Anfangszustand zum selben Endzustand führen, so dass es zu einer Interferenz kommt. Drei Typen der CP-Verletzung sind bekannt:

  • CP-Verletzung in der Teilchen-Antiteilchen-Mischung, auch als indirekte CP-Verletzung bekannt
Neutrale Kaonen, D-Mesonen und B-Mesonen können mit ihren Antiteilchen mischen, d. h. sie können ineinander übergehen („oszillieren“)- z. B. B^0\rightarrow\bar{B}^0 und \bar{B}^0\rightarrow B^0 ( B^0 \bar{B}^0 -Oszillationen). CP-Verletzung in der Mischung tritt dann auf, wenn z. B. die Rate \Gamma(K^0\rightarrow\bar{K}^0) verschieden ist von \Gamma(\bar{K}^0\rightarrow K^0). Die im Jahr 1964 im System der neutralen Kaonen beobachtete CP-Verletzung kann im Wesentlichen darauf zurückgeführt werden.
  • CP-Verletzung im Zerfall, auch als direkte CP-Verletzung bekannt
Direkte CP-Verletzung liegt vor, wenn die partielle Zerfallsbreite für den Zerfall eines Teilchens T in einen Endzustand E (\Gamma(T\rightarrow E)) verschieden ist von der seines Antiteilchens, d. h. \Gamma(T\rightarrow E)\neq \Gamma(\bar{T}\rightarrow \bar{E}). Direkte CP-Verletzung im Kaon-System wurde 1999 mit den Experimenten KTEV am Fermilab und NA48 am CERN erstmals beobachtet.[1][2] Sie bestätigten eine Messung des NA31-Experiments am CERN aus dem Jahr 1993, die aber statistisch nicht ausreichend signifikant war, um als Beobachtung zu gelten.[3] Im B-Meson-System wurde die direkte CP-Verletzung erstmals im Jahr 2004 durch das BaBar-Experiment am SLAC gefunden.[4]
  • CP-Verletzung in der Interferenz zwischen Mischung und Zerfall
Diese Art der CP-Verletzung kann dann auftreten, wenn ein Teilchen und das dazugehörige Antiteilchen in den gleichen Endzustand zerfallen können. Ein derartiges Teilchen unterliegt damit der Teilchen-Antiteilchen-Mischung, so dass der Endzustand direkt oder über den Umweg der Umwandlung in das Antiteilchen und dessen Zerfall erreicht werden kann. Im Kaon-System ist das Phänomen gut bekannt; im B-Meson-System ermöglicht die Untersuchung einen sensitiven Test des Standardmodells zur Herkunft der CP-Verletzung. Aufgrund der Struktur der CKM-Matrix müsste die CP-Verletzung bei Übergängen zwischen Quarks der dritten (Bottom-,Top-Quark) und der ersten Familie (Down-,Up-Quark) am ausgeprägtesten sein. B-Mesonen, die neben einem leichten auch das schwere Bottom-Quark enthalten, sind daher die idealen Prüfkandidaten für den Test der Theorie. Sie besitzen ungefähr die fünffache Protonenmasse und haben eine Lebensdauer von etwa 1,5·10-12 s. In B^0-Meson Zerfällen der Art B^0\rightarrow J/\psi K_S^0, d. h. in ein  J/\psi-Meson und ein neutrales Kaon, konnte diese CP-Verletzung erstmals im System der B-Mesonen durch das BaBar-Experiment und durch das Belle-Experiment beobachtet werden.[5][6] Sie ist mittlerweile mit großer Präzision bekannt und ist in ausgezeichneter Übereinstimmung mit den Vorhersagen des Standardmodells. Nach dieser Bestätigung der Vorhersage von Kobayashi und Maskawa wurde beiden im Jahr 2008 der Nobelpreis für Physik verliehen.

Die CP-Verletzung bleibt ein äußerst aktives Forschungsgebiet, da in zahlreichen anderen Kanälen Tests des Standardmodells mit einer großen Empfindlichkeit auf das Vorhandensein von neuer Physik möglich sind. So bietet auch die Erforschung der CP-Verletzung im System der neutralen B_s^0-Mesonen derartige Perspektiven. Präzisionsmessungen zur CP-Verletzung im System der B- und Bs-Mesonen sind ein Schwerpunkt des Physikprogramms des LHCb-Experiments am Large Hadron Collider des CERN. In Bau befindlich ist in Japan der Beschleuniger SuperKEKB am KEK, an dem der Nachfolger des Belle-Experiments, Belle II, voraussichtlich Ende 2016 die Datennahme aufnehmen wird.[7]

Im Prinzip sollte auch in der starken Wechselwirkung CP-Verletzung möglich sein, die z. B. zu einem relativ großen elektrischen Dipolmoment des Neutrons führen würde. Experimentelle Hinweise auf eine derartige CP-Verletzung gibt es aber nicht. Diese Diskrepanz wird auch als „strong CP problem“ bezeichnet.

Aufgrund der Beobachtung von Neutrinooszillationen und der damit verbundenen Erkenntnis, dass Neutrinos nicht masselos sind, muss es auch eine Mischungsmatrix, die PMNS-Matrix (manchmal auch nur MNS-Matrix) geben, die nach Bruno Pontecorvo, Ziro Maki, Masami Nakagawa und Shoichi Sakata benannt ist. Wie bei der CKM-Matrix könnte auch hier eine Quelle für CP-Verletzung liegen, die aber noch nicht beobachtet wurde.

Erhaltung der CPT-Invarianz[Bearbeiten]

Im Gegensatz zur („zweifach-kombinierten“) CP-Verletzung ist nach einem grundlegenden Theorem von Wolfgang Pauli und Gerhart Lüders bei allen Ereignissen der Quantenfeldtheorie die („dreifach-kombinierte“) CPT-Symmetrie unter allen Umständen invariant (T = Zeitumkehr, d. h. Umkehr der Bewegungsrichtung, der Bahn- und Spin-Drehimpulse und Übergang zum Konjugiert-Komplexen, i -> -i).

Kosmologische Notwendigkeit der CP-Verletzung[Bearbeiten]

Andrei Sacharov merkte in den 1960er Jahren an, dass die CP-Verletzung eine der Voraussetzungen dafür ist, dass es im Universum die beobachtete große Dominanz der Materie gegenüber der Antimaterie geben kann (Baryonenasymmetrie). Unser heutiges Verständnis vom Urknall geht davon aus, dass er Teilchen und Antiteilchen in gleicher Menge hervorbrachte. In der Baryogenese entstand dann das jetzt beobachtete Ungleichgewicht. Was der exakte Mechanismus ist, ist aber umstritten. Experimente müssen klären, welchen Ursprungs die CP-Verletzung ist und ob sie genügend groß ist, um ausreichend Materie erzeugen zu können.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Alban Kellerbauer: 50 Jahre CP-Verletzung, Physik in Unserer Zeit 45 (Juli 2014) 168, doi:10.1002/piuz.201401371
    Direkter Download vom Autor: Artikel (PDF; 874 kB).
  • J. Beringer u. a., (Particle Data Group): Review of particle physics. In: Physical Review. D86, 010001 (2012)
  • Michael Peskin: High-energy physics: The matter with antimatter. In: Nature. Band 419, 2002, S. 24–27.
  • Marcel Kunze, Klaus R. Schubert, Bernhard Spaan: Das BABAR-Experiment. In: Physikalische Blätter. Band 55, Heft 5, 1999, S. 27.
  • G. C. Branco, L. Lavoura, J. P. Silva: CP Violation. Oxford University Press, 1999, ISBN 0-19-850399-7.
  • Makoto Kobayashi, Toshihide Maskawa: CP Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction. In: Progress of Theoretical Physics. Band 49, 1973, S. 652–657.
  • A. D. Sakharov: Violation of CP Invariance, c Asymmetry, and Baryon Asymmetry of the Universe. In: JETP Letters. Band 5, 1967, S. 24–27.
  • J. H. Christenson, J. W. Cronin, V. L. Fitch, R. Turlay: Evidence for the 2π Decay of the K20 Meson. In: Physical Review Letters. Band 13, 1964, S. 138–140.

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. A. Alavi-Harati u. a. (KTEV), Observation of Direct CP Violation in KS,L→π π Decays. In: Phys. Rev. Lett. 83, 22 (1999)
  2. V. Fanti u. a. (NA48), A new measurement of direct CP violation in two pion decays of the neutral kaon. In: Phys. Lett. B 465, 335 (1999)
  3. G.D. Barr u. a. (NA31), A new measurement of direct CP violation in the neutral kaon system. In: Phys. Lett. B 317, 233 (1993)
  4. B. Aubert u. a. (BABAR), Direct CP Violating Asymmetry in B0→ K+π- Decays. In: Phys. Rev. Lett. 93, 131801 (2004)
  5. B. Aubert u. a. (BABAR), Observation of CP violation in the B0 meson system. In: Phys. Rev. Lett. 87, 091801, (2001)
  6. K. Abe u. a. (Belle), Observation of Large CP Violation in the Neutral B Meson System. In: Phys. Rev. Lett. 87, 091802 (2001)
  7. K. Akai - SuperKEKB Accelerator Status, 13th Belle II Open Collaboration Meeting. 12. November 2012, abgerufen am 17. Januar 2013.