LHC entdeckt entscheidende Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie

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Redaktion der Website für technologische Innovationen – 17. Juli 2025

Künstlerische Darstellung eines Beauty-Lambda-Baryons, bestehend aus einem Up-Quark, einem Down-Quark und einem Beauty-Quark. [Bild: Daniel Dominguez/CERN]

Paritätsverletzung laden

Wissenschaftler am Large Hadron Collider (LHC) haben zum ersten Mal einen Unterschied im Verhalten von Materie und Antimaterie in den subatomaren Teilchen festgestellt, aus denen der größte Teil des beobachtbaren Universums besteht.

Der Urknall hätte gleiche Mengen an Materie und Antimaterie erzeugen sollen, doch im heutigen Universum ist kaum Antimaterie vorhanden. Ein Schlüssel zur Erklärung liegt in der Entdeckung eines Unterschieds im Verhalten von Materie und Antimaterie, der sogenannten Ladungsparitätsverletzung.

Das LHCb-Detektorteam hat diesen Unterschied nun erstmals bei einer Klasse subatomarer Teilchen, den sogenannten Baryonen, beobachtet. Zu diesen gehören Neutronen und Protonen, die wiederum Atomkerne bilden. Anders ausgedrückt: Die Ladungsparitätsverletzung wurde bei den Teilchen festgestellt, aus denen der Großteil der im Universum beobachtbaren Materie besteht.

Diese Asymmetrie im Verhalten von Materie und Antimaterie wird vom Standardmodell der Physik vorhergesagt und konnte seit über 60 Jahren experimentell bei subatomaren Teilchen, den sogenannten Mesonen (Bosonen, Pionen und Kaonen sind Beispiele für Mesonen), beobachtet werden – bei Baryonen hingegen war sie noch nie zuvor beobachtet worden. Im Gegensatz zu Mesonen, die aus zwei Quarks bestehen, bestehen Baryonen aus drei Quarks.

„Der Grund, warum die Beobachtung der CP-Verletzung bei Baryonen länger dauerte als bei Mesonen, liegt an der Stärke des Effekts und den verfügbaren Daten“, erklärte Vincenzo Vagnoni, Sprecher des LHCb. „Wir brauchten eine Maschine wie den LHC, die eine ausreichend große Anzahl von Baryonen und ihren Antimaterie-Gegenstücken erzeugen kann, und wir brauchten ein Experiment an dieser Maschine, das deren Zerfallsprodukte identifizieren kann. Es waren mehr als 80.000 Baryonenzerfälle nötig, um erstmals eine Materie-Antimaterie-Asymmetrie bei dieser Teilchenklasse zu beobachten.“

Illustration der Entstehung von Baryonen bei einer Kollision und deren Zerfall. [Bild: 10.1038/s41586-025-09119-3]

Wo ist die ganze Antimaterie geblieben?

Die Ladungsparitätsasymmetrie offenbart einen Unterschied im Verhalten baryonischer Materie und Antimaterie. Obwohl diese Verletzung vorhergesagt wurde, löst sie nicht das Problem des Materie-Antimaterie-Ungleichgewichts im Universum.

Tatsächlich ist das vom Standardmodell vorhergesagte Ausmaß der Ladungsparitätsverletzung etwa zehn Größenordnungen kleiner (1 x ¹⁰⁻¹⁰ ) als zur Erklärung der beobachteten Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum erforderlich. Dies deutet auf die Existenz neuer Ursachen für Ladungsparitätsverletzungen hin, die über die vom Standardmodell vorhergesagten hinausgehen. Die Suche nach diesen zusätzlichen Ladungsparitätsverletzungen ist ein wichtiger Teil des LHC-Physikprogramms, doch die bisher fehlenden Ergebnisse deuten darauf hin, dass sie auch künftig im Fokus möglicher Nachfolgebeschleuniger stehen wird.

Die experimentelle Aufklärung der Details dieser Verletzung wird in jedem Fall wichtige Hinweise liefern und Möglichkeiten für weitere theoretische und experimentelle Studien zur Natur der Ladungsparitätsverletzung eröffnen. Diese Entdeckungen ebnen möglicherweise den Weg für die Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells.

„Je mehr Systeme wir CP-Verletzungen beobachten und je präziser die Messungen sind, desto mehr Möglichkeiten haben wir, das Standardmodell zu testen und nach physikalischen Phänomenen jenseits davon zu suchen“, schloss Vagnoni.

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