Sebastian Frank Wilhelm Macke Award Warum verschwand die Antimaterie?

Sebastian Frank

Wilhelm Macke Award

Warum verschwand die Antimaterie?

2Warum verschwand die Antimaterie?Sebastian Frank

Egal wohin wir schauen, wir sehen Materie!


Egal wohin wir schauen, wir sehen Materie!


Sollte uns das wundern?

• Zu Beginn des Universums sollte exakt gleich viel Materie wie Antimaterie entstanden sein

• Was ist Antimaterie?– Der „Zwillingsbruder“ der Materie

– Vorzeichen der Ladung ist vertauscht

– Beispiel: Elektron e- (Ladung -1)Positron e+ (Ladung +1) e-

e+

e- e+


Wie verhalten sich Materie und Antimaterie?

„Problem“: Sie dürfen sich nicht zu nahe kommen …

… sonst vernichten sie sich gegenseitig und zerstrahlen zu Licht!

Bedeutung für das Universum

• Bei exakt gleich viel Materie wie Antimaterie würden sie sich gegenseitig komplett vernichten!

• Eigentlich sollte es KEINE Materie geben!

• Wir sollten gar nicht existiert!!!


Konsequenz

• Materie hat aber „überlebt“ und Antimaterie ist verschwunden

• Es muss einen Überschuß an Materie gegeben haben!



Materieüberschuß des Universums

• Problem:Physiker können diesen Materieüberschuß nicht erklären!

• Aber was können Physiker eigentlich erklären?

• Was wissen wir eigentlich heute?

Standardmodell der Elementarteilchenphysik

• Gesammelte bisherige Wissen über Welt des Allerkleinsten

• Das Atom:– Hülle aus Elektronen

– Kern aus Protonen und Neutronen

– Protonen und Neutronen wiederum aus „Quarks“

• Elektronen und Quarks sind Elementarteilchen(nicht weiter teilbar!)



• Neben Elementarteilchen in den Atomen gibt es noch weitere …

• Unterteilung der Elementarteilchen:– Materieteilchen

– Kräfteteilchen(übertragen Kräfte zwischen Materieteilchen)

• Alle Teilchen zusammen:Standardmodell der Elementarteilchenphysik



• Standardmodell sehr „mächtig“ und erfolgreich!

• Beschreibt die Welt des Allerkleinsten sehr gut …

• … kann leider nicht alles erklären!

• Materieüberschuß des Universums nicht erklärbar!

• Standardmodell unvollständig und muss erweitert werden … aber wie?


Mögliche Erweiterung des Standardmodells


Standardmodell

…

Materieüberschuß erklärbar?

NEIN!

Standardmodell+

…

Materieüberschuß erklärbar?MÖGLICH!

??????Neue

Symmetrien!


Symmetrien

• In der Natur und der Kunst steckt überall Symmetrie!

• Mal mehr symmetrisch, mal weniger …


Symmetrien in der Physik

• Auch in den Naturgesetzen der Physik steckt überall Symmetrie!

• Drücken ganz allgemeine Grundprinzipien der Natur aus

• Meist recht abstrakt …

• Beispiel: Zeit-Symmetrie– Naturgesetze ändern sich nicht

sondern bleiben immer gleich!

• Weitere Symmetrien …


„Supersymmetrie“ (SUSY)

• Größte überhaupt mögliche Symmetrie der Naturgesetze!

• Jedes Teilchen des Standardmodells erhält „Superpartner“

• Dadurch viele offene Probleme der Physik lösbar

• Deshalb SUSY sehr beliebt und „heiß begehrt“!


CP-Symmetrie und die CP-Verletzung

• Ein Teilchen verhält sich normalerweise gleich, wenn man es …– im Spiegel (P)

betrachtet und

– durch Antiteilchen (C) ersetzt

• „CP-Symmetrie“

CP-Symmetrie und die CP-Verletzung

• Manchmal verhält sich Teilchen jedoch anders!

• „CP-Verletzung“

• Beispiel: Teilchenzerfall– Instabiles Teilchen und

– Antiteilchen im Spiegelzerfallen anders!

Mögliche Erklärung des Materieüberschusses


Standardmodell

Wenig CP-Verletzung

Materieüberschuß erklärbar?

NEIN!

Standardmodell+

Supersymmetrie

Viel CP-Verletzung!?

Materieüberschuß erklärbar?MÖGLICH!

… wirklich mehr CP-Verletzung?


Meine Diplomarbeit

• Berechnete bestimmten Zerfall eines instabilen SUSY-Teilchens

• Analysierte CP-Verletzung der Zerfallsrate (d.h. wie schnell ein Teilchen zerfällt)

• Berechnungen sehr kompliziert aber …

• Prinzip mittels Diagramme sehr anschaulich


Diagramm eines SUSY-Teilchenzerfalls

Zeit

Anfang:ein instabiles SUSY-Teilchen

Ende: zwei Teilchen

Mitte:drei „virtuelle, geisterhafte“ Teilchen, die entstehen und gleich wieder verschwinden!


Diagramm eines SUSY-Teilchenzerfalls

Zeit

• Mittlerer Teil ist „Korrektur“ des eigentlichen Zerfalls• Dadurch wird CP-Symmetrie des Zerfalls verletzt (CP-Verletzung)!• Dieses Diagramm liefert wichtigsten Beitrag zur CP-Verletzung


Alle anderen Diagramme des Zerfalls


Alle anderen Diagramme des Zerfalls

… zum Glück gibt es Computer!


Resultate meiner Diplomarbeit

CP-Verletzung der Zerfallsrate (in Prozent)

Masse des zerfallenden SUSY-Teilchens

24 % !!!

Nochmal in Kürze …

• Es gibt einen ungeklärten Materieüberschuß im Universum

• Mögliche Lösung:„Supersymmetrie“ (SUSY)

• Dadurch mehr „CP-Verletzung“ möglich …

• … wichtig für Erklärung des Materieüberschusses!


Nochmal in Kürze …

• Diplomarbeit:– Berechnete CP-Verletzung

eines Teilchenzerfalls– Resultat viel höher als zuvor im

Standardmodell möglich!

• SUSY könnte Materieüberschuß erklären helfen!

• Aber …– existiert SUSY überhaupt?– kann man all dies experimentell

überprüfen?


24 % !!!

Der „Large Hadron Collider“ (LHC)

„Die größte Maschine der Welt auf der Suche nach den kleinsten Teilchen des Universums“


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