Leptogenese

Die Leptogenese ist eine neuere Theorie zur dynamischen Entstehung der Baryonenasymmetrie im frühen Universum. Sie ist ein spezielles Modell der Baryogenese, geht aber nicht von einer direkten Erzeugung der Asymmetrie zwischen Baryonen und Antibaryonen aus. Vorgeschlagen wurde sie erstmals im Jahre 1986 in einem Artikel der japanischen Physiker M. Fukugita und T. Yanagida.

Die Asymmetrie wird hier zunächst zwischen Leptonen und Antileptonen erzeugt. Üblicherweise führt man hierzu zusätzliche, rechtshändige Neutrinos ein, die eine sehr große Masse haben und ein Singulett unter der Eichgruppe der elektroschwachen Wechselwirkung bilden. Der Zerfall dieser Neutrinos in Leptonen und Higgs-Bosonen verletzt die CP-Symmetrie und daher bekommt man unterschiedliche Anzahlen an Leptonen und Antileptonen, man hat also eine Leptonasymmetrie erzeugt. Diese Asymmetrie wird dann durch so genannte Sphaleron-Prozesse in eine Baryonenasymmetrie konvertiert.

Mittlerweile gibt es zahlreiche Erweiterungen des ursprünglichen Szenarios. Mitte der 1990er Jahre entdeckte beispielsweise eine Forschungsgruppe der Universität Dortmund eine Möglichkeit, das Szenario bei Energien zu realisieren, die in naher Zukunft mit Teilchenbeschleunigern untersucht werden können. In den üblichen Szenarien müsste die Leptogenese bei extrem hohen Energien abgelaufen sein, so dass eine experimentelle Überprüfung des Modells nahezu unmöglich wäre. Das neue Szenario, meist als resonante Leptogenese bezeichnet, geht davon aus, dass zwei der schweren rechtshändigen Neutrinos eine beinahe identische Masse haben, was zu einer Resonanzüberhöhung in der Zerfallsbreite führt. Andere beliebte Erweiterungen des Fukugita-Yanagida-Szenarios sind die Einbeziehung der Supersymmetrie (z. B. in den Arbeiten von M. Plümacher), die Berücksichtigung thermischer Effekte im frühen Universum oder Effekte, die damit zusammenhängen, dass die Leptonasymmetrie sich nicht gleichmäßig über die drei Fermiongenerationen verteilt.

Durch die zahlreichen Erweiterungen ist die Leptogenese mittlerweile zu einer umfangreichen und anspruchsvollen Theorie geworden. Durch die vielen freien und experimentell (bisher) nicht überprüfbaren Parameter ist es jedoch nicht möglich eindeutig zu sagen, ob eine der zahlreichen Varianten in der Lage ist, die gemessene Baryonenasymmetrie des Universums präzise vorherzusagen. Der Reiz der Theorie liegt daher bislang eher in ihrer theoretischen Schönheit, da sie Vorgänge bei sehr hohen Energien, wie sie kurz nach dem Urknall herrschen, mit der Physik bei niedrigen Energien, nämlich der Physik der Neutrinos, verbindet. So kann dasselbe Modell auch dafür benutzt werden, eine dynamische Erklärung zu liefern, warum die Neutrinos eine sehr kleine, aber dennoch von Null verschiedene Masse haben.

Literatur (Auswahl)

• M.Fukugita, T.Yanagida, Baryogenesis without grand unification, Phys.Lett. B174, 45-47 (1986)

• M.Flanz, E.A.Paschos, U.Sarkar, J.Weiss, Baryogenesis through mixing of heavy Majorana neutrinos, Phys.Lett. B389, 693-699 (1996)

• A.Pilaftsis, T.E.J.Underwood, Resonant Leptogenesis, Nucl.Phys. B692, 303-345 (2004)

• M.Dine, A.Kusenko, Origin of the matter-antimatter asymmetry, Rev.Mod.Phys. 76, 1-30 (2004)(aktueller Übersichtsartikel zu verschiedenen Theorien der Baryogenese)

• W.Buchmüller, R.D.Peccei, T.Yanagida, Leptogenesis as the origin of matter, Ann.Rev.Nucl.Part.Sci. 55, 311-355 (2005) (aktueller Übersichtsartikel zur Leptogenese)