CP-Verletzung: Die Asymmetrie, die die Materie überleben ließ
Der Urknall hätte Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen hervorbringen sollen. Sie hätten einander vollständig vernichtet und ein Universum aus Strahlung hinterlassen und sonst nichts - keine Sterne, keine Planeten, keine Beobachter, die es bemerken. Etwas hat das verhindert, und das nötige Ungleichgewicht ist winzig: etwa ein zusätzliches Materieteilchen je Milliarde Paare. Alles, was existiert, ist der Rest. Herauszufinden, was dieses Ungleichgewicht verursacht hat, ist eine der wenigen wirklich fundamentalen offenen Fragen - und das Neutrino ist derzeit der aussichtsreichste Ort, um zu suchen.
Was die Symmetrie besagt
Die Ladungskonjugation, geschrieben C, tauscht jedes Teilchen gegen sein Antiteilchen. Die Parität, geschrieben P, spiegelt den Raum und vertauscht links und rechts. Lange galten beide als exakte Symmetrien der Natur: Den Gesetzen der Physik sollte es gleichgültig sein, ob man einen Vorgang oder sein Spiegelbild betrachtet - und ebenso, ob er aus Materie oder Antimaterie besteht.
Die Parität fiel zuerst, 1956, als sich zeigte, dass die schwache Wechselwirkung links und rechts absolut unterscheidet. Das war schon überraschend genug. Doch die Kombination CP schien zu überleben: Spiegelt man den Vorgang und tauscht Materie gegen Antimaterie, erhielt man scheinbar einen Vorgang, den die Natur gleich behandelt.
1964 fiel auch das. James Cronin und Val Fitch fanden, dass neutrale Kaonen auf eine Weise zerfallen, die nicht ganz CP-symmetrisch ist - im Bereich weniger Promille. Ein kleiner Effekt mit großen Folgen, der 1980 den Nobelpreis einbrachte.
Warum das zählt, legte Andrei Sacharow 1967 dar. Er zeigte, dass aus einem symmetrischen Anfang nur dann ein Materieüberschuss entsteht, wenn drei Bedingungen zusammenkommen: ein Prozess, der die Baryonenzahl ändert, eine Verletzung sowohl von C als auch von CP, und eine Abweichung vom thermischen Gleichgewicht. Ohne CP-Verletzung hebt der Spiegelprozess jeden in eine Richtung erzeugten Überschuss wieder auf.
Warum das bekannte Maß nicht reicht
Das Standardmodell enthält durchaus CP-Verletzung. Sie tritt über eine einzelne komplexe Phase in der Matrix ein, die die Quarkmischung beschreibt, und erklärt die Kaonergebnisse und spätere Messungen an schwereren Mesonen korrekt. Als Beschreibung des Gemessenen funktioniert sie.
Als Erklärung für das Universum scheitert sie deutlich. Speist man den Effekt aus dem Quarksektor in Rechnungen darüber ein, wie viel Materie hätte überleben sollen, fällt die Antwort rund zehn Größenordnungen zu klein aus. Das ist keine knappe Abweichung, die bessere Messungen schließen könnten, sondern ein struktureller Fehlbetrag.
Es muss also irgendwo eine weitere Quelle der CP-Verletzung geben, und eine, die im frühen Universum wirkte. Der Leptonsektor ist der naheliegende Kandidat, weil er der am schlechtesten vermessene Teil des Standardmodells ist und weil die Neutrinomasse ohnehin Physik jenseits des Modells verlangt.
Der maßgebliche Parameter ist eine Phase in der PMNS-Matrix. Messbar wurde sie erst, als sich 2012 zeigte, dass der kleinste Mischungswinkel ungleich null ist - wäre er null gewesen, wäre dieser Weg vollständig verschlossen.
Wie Neutrinoexperimente das prüfen
Der Test ist im Grundsatz einfach. Man erzeugt einen Strahl aus Myon-Neutrinos, schickt ihn über eine lange Strecke und zählt, wie viele als Elektron-Neutrinos ankommen. Dann macht man exakt dasselbe mit Antineutrinos. Wird CP geachtet, stimmen die beiden Umwandlungswahrscheinlichkeiten überein. Weichen sie ab, ist CP im Leptonsektor verletzt.
In der Praxis ist das schwierig - aus Gründen der Statistik und der Überlagerung. Der Effekt ist ein mäßiger Unterschied zwischen zwei kleinen Zahlen, verlangt also gewaltige Detektoren und Jahre Messzeit. Und die durchquerte Materie erzeugt eine eigene Asymmetrie, weil die Erde Elektronen enthält, aber keine Positronen - das ahmt CP-Verletzung nach und muss davon getrennt werden.
Die heutigen Beschleunigerexperimente T2K in Japan und NOvA in den Vereinigten Staaten haben Ergebnisse geliefert, die zu einem großen CP-verletzenden Effekt neigen, aber nicht auf einem Niveau, das etwas klärt. Ihre Basislinien und Statistiken waren nicht auf eine endgültige Antwort ausgelegt.
DUNE und Hyper-Kamiokande sind es. Beide werden eigens gebaut, um diese Phase zu messen, mit dafür gewählten Basislinien, Strahlleistungen und Detektormassen - und sie nutzen verschiedene Techniken, damit sich ihre systematischen Fehler nicht überlappen.
Die Verbindung zur Leptogenese
Selbst eine bestätigte Messung leptonischer CP-Verletzung erklärte den Materieüberschuss nicht von allein. Die Verbindung läuft über die Leptogenese, ein Szenario, in dem sehr schwere Neutrinos im frühen Universum CP-verletzend zerfielen, ein Ungleichgewicht zwischen Leptonen und Antileptonen erzeugten und bekannte Prozesse dieses teilweise in die beobachtete Baryonenasymmetrie umwandelten.
Dieses Szenario verlangt, dass das Neutrino ein Majorana-Teilchen ist, damit die Leptonenzahl nicht erhalten bleibt. Es verlangt außerdem schwere Partner bei Energien weit jenseits jedes Beschleunigers - deshalb ist der Mechanismus attraktiv, aber nicht direkt prüfbar.
Prüfbar sind seine Folgen: die leptonische CP-Verletzung, die DUNE und Hyper-Kamiokande messen werden, und die Verletzung der Leptonenzahl, die der neutrinolose Doppelbetazerfall zeigen würde. Keines von beiden beweist die Leptogenese allein. Beide zusammen machten sie sehr schwer abzutun.
Es gehört zur Ehrlichkeit, dass die in der Oszillation gemessene Phase nicht zwangsläufig die Phase ist, auf die es im frühen Universum ankam. Die Verbindung ist modellabhängig, und ein großer Messwert wäre ein starkes Indiz, kein Beweis.
Worum es bei dieser Frage nicht geht
Die CP-Verletzung betrifft, warum Materie existiert, nicht, was sich damit anfangen lässt. Es ist eine Frage zum ersten Sekundenbruchteil nach dem Urknall, geprüft mit Strahlen und Detektoren, deren Präzision außerhalb der Messung selbst keine Anwendung hat.
Die Größenordnung der Experimente macht den gewohnten Punkt. DUNE braucht 70.000 Tonnen flüssiges Argon und einen Strahl im Megawattbereich, um genug Ereignisse für einen Unterschied zwischen zwei kleinen Wahrscheinlichkeiten zu sammeln. Diese Anforderung folgt daraus, wie selten Neutrinos wechselwirken, nicht aus einem Energieinhalt, den sie trügen.
Die davon getrennte Frage der Neutrinovoltaik-Forschung - ob Umgebungsstrahlung und thermische Fluktuationen an einer konstruierten Materialoberfläche einen messbaren Strom treiben können - hat mit CP-Verletzung in keine Richtung zu tun.
Was das Feld aber bietet, ist ein Muster dafür, wie man mit einer unbewiesenen Idee umgeht. Die Leptogenese ist elegant, weithin geglaubt und nicht belegt. Sie wird als Szenario bezeichnet, ihre nicht prüfbaren Teile werden als solche benannt, und die prüfbaren werden geprüft. Das ist die ehrliche Art, eine Hypothese zu halten - und sie gilt für Energieforschung ebenso wie für Kosmologie.
Häufige Fragen
Wofür stehen C und P?
C ist die Ladungskonjugation, die jedes Teilchen gegen sein Antiteilchen tauscht. P ist die Parität, die den Raum spiegelt. CP ist die Kombination, und lange galt sie als exakte Symmetrie der Natur.
Wann wurde CP-Verletzung erstmals beobachtet?
1964, in den Zerfällen neutraler Kaonen, durch James Cronin und Val Fitch. Der Effekt lag bei wenigen Promille und brachte 1980 den Physik-Nobelpreis.
Warum reicht die bekannte CP-Verletzung nicht?
Der Effekt im Quarksektor verfehlt die Erklärung des beobachteten Materieüberschusses um rund zehn Größenordnungen. Das ist ein struktureller Fehlbetrag, nichts, was bessere Messungen schließen könnten.
Wie prüft man das mit Neutrinos?
Indem man misst, wie oft Myon-Neutrinos über eine lange Strecke zu Elektron-Neutrinos werden, und das mit Antineutrinos wiederholt. Weichen die Wahrscheinlichkeiten ab, ist CP verletzt. Die Materie der Erde erzeugt eine konkurrierende Asymmetrie, die davon getrennt werden muss.
Erklärte eine Messung, warum Materie existiert?
Nicht für sich allein. Die Verbindung läuft über die Leptogenese, die zusätzlich verlangt, dass das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist, und schwere Partner bei unerreichbaren Energien voraussetzt. Eine große gemessene Phase wäre ein starkes Indiz, kein Beweis.
