Die große Fusion der Physik
Astrophysiker und Teilchenphysiker auf der Suche nach dem gemeinsamen Weltmodell
Die beiden Standardmodelle der Physik – die der Teilchenphysik und die der Astrophysik – lassen sich derzeit nicht zu einer gemeinsamen Sicht der physikalischen Welt vereinen. Gleichzeitig gibt es in jeder der beiden Theorien offene Punkte, die sich einer Erklärung entziehen. In unserer Moderation geht es um Dunkle Materie, um Antiteilchen und darum, dass die bisher weitgehend getrennt voneinander experimentierenden Physiker beider Seiten mehr und mehr verstehen, dass nur in gemeinsamer Arbeit eine einheitliche Sicht der physikalischen Welt entstehen kann. Erstes grandioses Beispiel: Das Alpha-Magnetische Spektrometer auf der Internationalen Raumstation ISS.
Link-Empfehlungen der Redaktion zu weiterführenden Informationen:
– Projektseite des Johnson Space Center der NASA zum AMS auf der ISS – hier
– Webseite des CERN zum AMS – hier
– zu unserer Reportage über Dunkle Materie – hier
– mehr über MACHO, WIMP und andere Exoten des Universums – hier
– Talk mit Prof. Matthias Bartelmann über indirekte Nachweismethoden Dunkler Materie – hier
– zu unserer Studiosendung über die außergewöhnliche Technologie des Weltraumdetektors – hier
Mehr zum Inhalt des Videos:
Die Nicht-Existenz der Antimaterie aus dem Universum ist für Teilchenphysiker bis heute ein großes Geheimnis. Aufgrund theoretischer Überlegungen müsste davon beim Urknall genauso viel wie Materie entstanden sein. Aber auf rätselhafte Weise ist sie aus dem Universum, wie wir es kennen, weitgehend verschwunden. Beobachtet werden können derzeit nur Positronen, die Antiteilchen des Elektrons, die in der Teilchenstrahlung von Sternen produziert werden. Bisher aber haben Astrophysiker den exotischen Positronen als speziellem Teilchentyp in ihren Beobachtungen nur wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Teilchenphysiker dagegen halten die für Astrophysiker enorm wichtige Dunkle Materie für reichlich irrelevant. Dunkle Materie ist im Standardmodell der Teilchenphysik überflüssig; sie konnte bisher zudem in keinem Experiment an Teilchenbeschleunigern nachgewiesen werden. Die Suche nach Dunkler Materie steht für Astrophysiker ganz oben auf der Skala astraler Forschungsthemen.
Bisher experimentierten diese beiden Wissenschaftslager der Physik in getrennten Laborsituationen. Die einen mit Teleskopen hoch oben in den Bergen oder mit Satelliten und Sonden weit draußen auf vorgeschobenem Posten im All. Die anderen arbeiten in großen Beschleunigeranlagen tief unter der Erde, losgelöst vom Geschehen im Weltall, und versuchen dort die Vorgänge der Atome ungestört zu beobachten. Beide Fraktionen der Analytiker unserer physikalischen Welt haben inzwischen aber verstanden, dass sie der Erklärung der Welt nur dann näherkommen können, wenn sich beide Sichtweisen der Physik zu einem neuen, zu einem gemeinsamen Modell der physikalischen Welt vereinen und sie dafür auch gemeinsam experimentieren. Die Fachwelt spricht vom „Multi Messenger Approach“ für den Teilchennachweis.
Einer, der sehr früh erkannt hat, dass beide Bereiche der Physik zusammenwachsen müssen, war der Nobelpreisträger Prof. Dr. Samuel Ting. Schon Anfang der neunziger Jahre startete er eine Initiative, die viele Teilchenphysiker damals als aberwitzig betrachteten und die die Astrophysiker weitgehend ignorierten. Trotz aller Widerstände der Wissenschaftswelt setzte der Visionär das Alpha-Magnetische Spektrometer AMS auf der Internationalen Raumstation durch. Im Mai 2011 hat es seine Arbeit aufgenommen, zwei Jahre später wurden nun die ersten, theoretisch noch nicht interpretierten Messergebnisse präsentiert. Niemals zuvor waren Positronen im Weltraum so präzise untersucht worden. Die Messungen geben erste Indizien darauf, dass es zwischen Dunkler Materie und Antimaterie im Weltraum eine direkte Wechselwirkung geben könnte. Unsere Studiosendung präsentiert die ersten spektakulären Erkenntnisse auf dem Weg zu einer neuen Physik, auf deren Bestätigung wir allerdings noch einige Jahre werden warten müssen.
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Die Antimaterie ist nicht verschwunden
Allgemein wird davon ausgegangen, dass ein Proton aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark besteht. Tatsächlich ist dieses Down-Quark ein Schein-Down-Quark, welches die gleiche elektrische Ladung wie das Down-Quark aufweist und auf untergeordneten Ebenen die Gegenmaterie enthält.
Ein Neutron soll aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks bestehen. Tatsächlich besitzt das Neutron ein Up-Quark und ein klassisches Down-Quark. Das zweite angebliche Down-Quark ist gleichfalls nur ein Schein-Down-Quark, welches die Gegenmaterie enthält.
D. h.: Zu jedem Materieteilchen im Universum existiert ein dazugehöriges Antimaterieteilchen. Es hat somit nie eine Symmetriebrechung stattgefunden (die den Überschuss an Materie erklärt). Es hat auch nie eine teilweise oder maximale Paritätsverletzung gegeben.
Bekannt ist, dass ein Down-Quark aus einem Up-Quark, einem Elektron und einem Elektron-Antineutrino (plus Energie) besteht. Dies weiß man, weil sich beim Zerfall eines Neutrons ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino ergeben:
(u+ d- ‚d-‚) = (u+ u+ ‚d-‚) + e- + e-a-n + E
Dieses Elektron-Antineutrino e-a-n stellt Antimaterie dar. Und niemand wundert sich, woher diese Antimaterie stammt. Das Neutron besteht angeblich aus zwei Down-Quarks. Und niemand wundert sich, warum nur eines der ‚beiden‘ Down-Quarks in ein Up-Quark, in ein Elektron und in ein Elektron-Antineutrino zerfällt. Noch nie wurde beobachtet, dass beide angeblichen Down-Quarks zerfallen.
Es wird immer behauptet, dass ein Neutron ein Materieteilchen ist. Wenn das freie Neutron nach rund 886 Sekunden in seine Bestandteile zerfällt, wobei eines dieser Bestandteile ein Elektron-Antineutrino ist, dann kann ein Neutron keine klassische Materie sein. Die einzigen klassischen Materieteilchen sind das Up-Quark, das Elektron und das Elektron-Neutrino, weil sie die unterste Stufe darstellen. Die übrigen so genannten Materieteilchen haben bestenfalls eine Art ‚äußere Erscheinung‘ als Materie.