Baryogenese

Die Baryogenese bezeichnet den physikalischen Prozess, durch den im frühen Universum ein geringer Überschuss an Baryonen (Materie) gegenüber Antibaryonen (Antimaterie) entstand. Dieses Ungleichgewicht beträgt nur etwa 1 Baryon pro 1,63 Milliarden Materie-Antimaterie-Paare, aber ohne es gäbe es keine Sterne, Planeten oder Menschen.

1967 formulierte der sowjetische Physiker Andrei Sacharow drei notwendige Bedingungen für die Baryogenese: (1) Verletzung der Baryonenzahlerhaltung, (2) Verletzung der C- und CP-Symmetrie und (3) Abweichung vom thermischen Gleichgewicht. Alle drei Bedingungen müssen gleichzeitig erfüllt sein.

Das Standardmodell der Teilchenphysik enthält CP-Verletzung (beobachtet im Kaon- und B-Meson-System) und Baryonenzahlverletzung durch Sphaleronprozesse, aber die Effekte sind zu schwach, um die beobachtete Asymmetrie zu erklären. Es muss also Physik jenseits des Standardmodells geben.

Konkurrierende Theorien umfassen die elektroschwache Baryogenese (bei der Elektroschwachen Phasenübergang), die Affleck-Dine-Baryogenese (über skalare Felder) und die Leptogenese, bei der zuerst eine Lepton-Asymmetrie entsteht, die dann in eine Baryon-Asymmetrie umgewandelt wird.

Gerade die scheinbare Banalität der Zahl, ein überzähliges Materieteilchen auf über eine Milliarde Paare, verbirgt eine der tiefsten Fragen der Physik überhaupt: Warum existiert das Universum, wie wir es kennen, statt aus reiner Strahlung zu bestehen? Wäre die Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie perfekt gewesen, hätten sich beide im frühen, heißen Universum vollständig zu Photonen vernichtet, und es gäbe weder Galaxien noch Leben. Der winzige Überschuss, der die Annihilation überlebte, bildet die gesamte sichtbare Materie von heute. Dass das Standardmodell die nötige Asymmetrie nicht erzeugen kann, ist deshalb kein Schönheitsfehler, sondern ein klarer Hinweis auf unentdeckte Physik. Experimente wie die Suche nach einem elektrischen Dipolmoment des Neutrons oder die genaue Vermessung der CP-Verletzung bei B-Mesonen am LHC versuchen, die fehlenden Quellen aufzuspüren. Die Baryogenese verknüpft damit die kleinste Skala der Teilchenphysik unmittelbar mit der größten Frage der Kosmologie.