Baryogenese

Die Baryogenese ist die Theorie zur dynamischen Entstehung des Ungleichgewichts von Materie und Antimaterie im Universum, das heißt der Baryonenasymmetrie. Auf die Baryogenese folgte die weitaus besser verstandene primordiale Nukleosynthese.

Fragestellung

Unser sichtbares Universum besteht überwiegend aus Materie und nur zu einem geringen Bruchteil aus Antimaterie. Beide Materiearten zerstrahlen beim Zusammentreffen unter Energiefreisetzung in einer sogenannten Annihilations-Reaktion. Nun gibt es einerseits die Möglichkeit anzunehmen, dass diese Asymmetrie eine (zufällige) Anfangsbedingung des Universums darstellt. Naheliegender wäre aber davon auszugehen, dass Materie und Antimaterie zu Beginn des Universums in gleichen Mengen vorlagen und die Asymmetrie erst dynamisch während der Entwicklung des Universums bis zum heutigen Zeitpunkt entstand. Theoretische Modelle, die dies bewerkstelligen, werden unter dem Begriff Baryogenese zusammengefasst.

Andrei Sacharow erkannte 1967 als erster die Bedingungen, die für das Auftreten der Asymmetrie notwendig sind (die sogenannten Sacharowkriterien). Unabhängig von ihm fand auch der russische Forscher Wadim Kuzmin 1970 die notwendigen Bedingungen.

Sacharows Arbeiten waren lange Zeit im Westen nicht bekannt. Noch vor ihrem Bekanntwerden veröffentlichte Leonard Susskind eigene Theorien der Baryogenese.

Sacharows Bedingungen für die Baryonenasymmetrie

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 X-Boson zerfallen könnte. Beide Zerfallsreihen treten jedoch mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten auf, dadurch ändert sich die Baryonenzahl.

Beispiel:

51 % X-Boson → up-Quark + up-Quark

49 % X-Boson → Anti down-Quark + Positron

+ (2/3 × 0,51) − (1/3 × 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 + Elektron

− (2/3 × 0,49) + (1/3 × 0,51) = −0,157 Baryonen

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

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. Zurzeit sind nur sehr schwache CP-Verletzungen bekannt, die das Vorhandensein der Baryonenasymmetrie noch nicht erklären können.

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.

Die verschiedenen Baryogenese-Theorien unterscheiden sich hinsichtlich der Art und Weise wie diese Bedingungen im Einzelnen theoretisch erfüllt werden.

Leptogenese

Neuere Theorien zur Entstehung der Baryonenasymmetrie favorisieren die Leptogenese. Hier wird die Asymmetrie zunächst zwischen Leptonen und Antileptonen erzeugt. Diese Asymmetrie wird dann durch so genannte Sphaleron-Prozesse in eine Baryonenasymmetrie konvertiert.

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