GermanWikipedia - /page/entry.mu

Micron Document

<!DOCTYPE html>

<title>Baryogenese</title>

</head>

<h1 id="firstHeading" class="firstHeading mw-first-heading"><span class="mw-page-title-main">Baryogenese</span></h1>

</header>

</div>

<div id="mw-content-text" class="mw-body-content mw-content-ltr" lang="de" dir="ltr"><div class="mw-content-ltr mw-parser-output" lang="de" dir="ltr"><p>Die <b>Baryogenese</b> ist die Theorie zur dynamischen Entstehung (griech. <i>Genese</i>) der <a href="Baryonenasymmetrie" title="Baryonenasymmetrie">Baryonenasymmetrie</a>, d. h. des Ungleichgewichts von <a href="Materie_(Physik)" title="Materie (Physik)">Materie</a> (<a href="Baryon#Baryonische_Materie_in_der_Kosmologie" title="Baryon">Baryonen</a>) und <a href="Antimaterie" title="Antimaterie">Antimaterie</a> (Antibaryonen) im <a href="Universum" title="Universum">Universum</a>. Auf die Baryogenese folgte die weitaus besser verstandene <a href="Primordiale_Nukleosynthese" title="Primordiale Nukleosynthese">primordiale Nukleosynthese</a>.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Fragestellung">Fragestellung</h2></div>

<p>Unser sichtbares Universum besteht überwiegend aus Materie und nur zu einem geringen Bruchteil aus Antimaterie. Beide Materiearten zerstrahlen beim Zusammentreffen unter Energiefreisetzung in einer <a href="Annihilation" title="Annihilation">Annihilations-Reaktion</a>.

</p>

<ul><li>Einerseits gibt es die Möglichkeit anzunehmen, dass diese Asymmetrie eine (zufällige) <a href="Anfangsbedingung" title="Anfangsbedingung">Anfangsbedingung</a> des Universums darstellt.</li>

<li>Andererseits wäre es aber naheliegender 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.</li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Sacharows_Bedingungen_für_die_Baryonenasymmetrie"><span id="Sacharows_Bedingungen_f.C3.BCr_die_Baryonenasymmetrie"></span>Sacharows Bedingungen für die Baryonenasymmetrie</h2></div>

<div class="hauptartikel" role="navigation"><span class="hauptartikel-pfeil" title="siehe" aria-hidden="true" role="presentation">→ </span><i><span class="hauptartikel-text">Hauptartikel</span>: <a href="Sacharowkriterien" title="Sacharowkriterien">Sacharowkriterien</a></i></div>

<p><a href="Andrei_Dmitrijewitsch_Sacharow" title="Andrei Dmitrijewitsch Sacharow">Andrei Sacharow</a> erkannte <a href="1967" title="1967">1967</a> als erster die Bedingungen, die für das Auftreten der Asymmetrie notwendig sind. Unabhängig von ihm fand auch der russische Forscher <a href="Wadim_Alexejewitsch_Kusmin" title="Wadim Alexejewitsch Kusmin">Wadim Alexejewitsch Kusmin</a> <a href="1970" title="1970">1970</a> diese Bedingungen.

</p><p>Sacharows Arbeiten waren lange Zeit im Westen nicht bekannt. Noch vor ihrem Bekanntwerden veröffentlichte <a href="Leonard_Susskind" title="Leonard Susskind">Leonard Susskind</a> mit <a href="Savas_Dimopoulos" title="Savas Dimopoulos">Savas Dimopoulos</a> unabhängig eine Theorie der Baryogenese, die zu ähnlichen Schlussfolgerungen kam.<sup id="cite_ref-1" class="reference"><a href="#cite_note-1"><span class="cite-bracket">[</span>1<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p><p>Die verschiedenen Theorien unterscheiden sich hinsichtlich der Art und Weise, wie diese Bedingungen im Einzelnen theoretisch erfüllt werden.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading3"><h3 id="Nichterhaltung_der_Baryonenzahl">Nichterhaltung der Baryonenzahl</h3></div>

<p>Die <a href="Baryonenzahl" title="Baryonenzahl">Baryonenzahl</a> <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle B\!\,}">

</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle B\!\,}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/a1057cf10de783ce2b6e2c39d9d716ae5d079f66.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.338ex; width:1.764ex; height:2.176ex;" alt="{\displaystyle B\!\,}" loading="lazy"></span> darf nicht konstant sein, sondern muss sich im Laufe der Entwicklung des Universums nach dem <a href="Urknall" title="Urknall">Urknalls</a> ändern, das heißt sie wird dynamisch erzeugt. Die Bedingung ist in vielen <a href="Gro%C3%9Fe_vereinheitlichte_Theorie" title="Große vereinheitlichte Theorie">GUTs</a> (Große vereinheitlichte Theorie) erfüllt, in denen die Baryonenzahl zum Beispiel beim (bisher nicht beobachteten) <a href="Protonzerfall" class="mw-redirect" title="Protonzerfall">Protonzerfall</a> verletzt wird.

</p><p>Als Beispiel kann man den hypothetischen Fall des Zerfalls eines schweren Teilchens wie einem <a href="X-Boson" class="mw-redirect" title="X-Boson">X-Boson</a> in einer GUT betrachten, dessen baryonenverletzende Zerfallsreihen (einmal in zwei Quarks jeweils mit Baryonenzahl 1/3), einmal in ein Antiquark (Baryonenzahl -1/3) und ein Lepton (Baryonenzahl 0) zerfällt:<sup id="cite_ref-2" class="reference"><a href="#cite_note-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p>

<dl><dd><dl><dd>51 %: X-Boson → up-<a href="Quark_(Physik)" title="Quark (Physik)">Quark</a> + up-Quark</dd>

<dd>49 %: X-Boson → Anti down-Quark + <a href="Positron" title="Positron">Positron</a></dd></dl></dd>

</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle \Rightarrow B\!\,}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/cf146ad300848063f4dc4ae9c3954997844b190c.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.338ex; width:4.733ex; height:2.176ex;" alt="{\displaystyle \Rightarrow B\!\,}" loading="lazy"></span> = 0,51 × (+2/3) + 0,49 × (−1/3) = +0,177</dd></dl>

<dl><dd>Das Antiteilchen des X-Bosons zerfällt dagegen mit leicht unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten:</dd></dl>

<dl><dd><dl><dd>49 %: Anti X-Boson → Anti up-Quark + Anti up-Quark</dd>

<dd>51 %: Anti X-Boson → down-Quark + <a href="Elektron" title="Elektron">Elektron</a></dd></dl></dd>

</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle \Rightarrow B\!\,}</annotation>

</semantics>

<p>Auch schon innerhalb des Standardmodells gibt es einen möglichen Mechanismus der Verletzung der Baryonenzahl durch die hypothetische <a href="Sphaleron" title="Sphaleron">Sphaleron</a>-Wechselwirkung zwischen Quarks und <a href="Lepton" title="Lepton">Leptonen</a>.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading3"><h3 id="Brechung_von_C-_und_CP-Symmetrie">Brechung von C- und CP-Symmetrie</h3></div>

<p>Die C- und CP-<a href="Symmetrie_(Physik)" title="Symmetrie (Physik)">Symmetrien</a> zwischen <a href="Teilchen" title="Teilchen">Teilchen</a> und <a href="Antiteilchen" title="Antiteilchen">Antiteilchen</a> müssen gebrochen werden (<a href="Symmetriebrechung" title="Symmetriebrechung">Symmetriebrechung</a>). Der Grund liegt darin, dass der Baryonenzahloperator sich ungerade unter C und CP verhält (er wechselt das Vorzeichen).

</p><p>Zurzeit sind nur sehr schwache <a href="CP-Verletzung" title="CP-Verletzung">CP-Verletzungen</a> bekannt (in der Theorie als komplexe Phase in der <a href="CKM-Matrix" title="CKM-Matrix">CKM-Matrix</a>), die das Vorhandensein der Baryonenasymmetrie noch nicht erklären können. Die CP-Symmetrie (C für engl. <i>charge</i> <a href="Elektrische_Ladung" title="Elektrische Ladung">Ladung</a>; P für <i>parity</i> <a href="Parit%C3%A4t_(Physik)" title="Parität (Physik)">Parität</a>, wobei links- und rechtshändige Chiralität unterschieden wird) beschreibt einen Verlauf, bei dem ein Teilchen in ein Antiteilchen (oder umgekehrt) verwandelt wird und die Parität (die Raumorientierung) sich ändert. Auch C- und P-Symmetrie und – da insgesamt <a href="CPT-Theorem" title="CPT-Theorem">CPT-Symmetrie</a> herrscht – mit der CP auch die T-Symmetrie sind im schwachen Sektor des Standardmodells verletzt. Die C-Symmetrie beschreibt den Übergang von Teilchen zu Antiteilchen. Im geladenen Sektor der schwachen Wechselwirkung (über geladene <a href="W-Boson" title="W-Boson">W-Bosonen</a> vermittelt) wechselwirken aber nur linkshändige Fermionen und ihre rechtshändigen Antiteilchen miteinander, die C- und die P-Symmetrie sind einzeln gebrochen (nur die kombinierte CP-Symmetrie ist bis auf die erwähnten im <a href="Kaon" title="Kaon">Kaonsystem</a> entdeckten Ausnahmen erhalten).

</p><p>Eine weitere Möglichkeit zur Baryogenese wäre eine direkte Teilchen-Antiteilchen-Asymmetrie (gebrochene C-Symmetrie) etwa wenn sich die Massen oder andere Eigenschaften von Proton und Antiproton auch nur um einen geringen Wert unterscheiden würden (sie annihilieren sich dann nicht vollständig), was aber bisher nicht gefunden wurde.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading3"><h3 id="Thermisches_Ungleichgewicht">Thermisches Ungleichgewicht</h3></div>

<p>Es muss zu einer Abweichung vom <a href="Thermisches_Gleichgewicht" class="mw-redirect" title="Thermisches Gleichgewicht">thermischen Gleichgewicht</a> kommen, denn sonst würde durch die bei den hohen Dichten und Energien des frühen Universums mit gleicher Rate ablaufende umgekehrte Reaktion keine Baryonenzahl ungleich Null erzeugt. Nur wenn die <a href="Expansion_des_Universums" title="Expansion des Universums">Expansion</a> des Universums mit vergleichbarer Rate erfolgt – beschrieben durch die zeitlich veränderliche <a href="Hubble-Konstante" title="Hubble-Konstante">Hubble-Konstante</a> <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle H}">

</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle H}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/75a9edddcca2f782014371f75dca39d7e13a9c1b.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.338ex; width:2.064ex; height:2.176ex;" alt="{\displaystyle H}" loading="lazy"></span> – wie die Reaktionsraten <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle \Gamma _{A,i}}">

<msub>

</mrow>

</msub>

</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle \Gamma _{A,i}}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/25b724e2807b0cee442fb29b3a0578fc9ea5dabd.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -1.005ex; width:3.942ex; height:2.843ex;" alt="{\displaystyle \Gamma _{A,i}}" loading="lazy"></span> der baryonenzahlverletzenden Reaktionen eines Teilchens A (etwa dem Zerfall eines schweren X-Bosons in einer der GUTs) kommt es zur Bildung von Baryonen. Solange

</p>

<msub>

</mrow>

</msub>

</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle \Gamma _{A,i}\geq H}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/993cf7608b7d3c8cc88ea4058c6e5abb03d49143.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -1.005ex; width:9.104ex; height:2.843ex;" alt="{\displaystyle \Gamma _{A,i}\geq H}" loading="lazy"></span></dd></dl>

<p>sind die Reaktionen noch im thermischen Gleichgewicht und es gibt keine Baryogenese. Sie findet erst statt, falls die durch H beschriebene Ausdehnung des Universums so schnell ist, dass die umgekehrte Reaktion mit sehr viel geringerer Wahrscheinlichkeit stattfindet, zum Beispiel weil die Dichte der beteiligten Ausgangsteilchen zu gering ist oder ihre Energie zu niedrig (die Reaktionsrate <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle \Gamma =\sigma \,v\,\rho }">

</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle \Gamma =\sigma \,v\,\rho }</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/733749c0d2998b6e18f21d76feeb40f903f61c6d.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.838ex; width:8.985ex; height:2.676ex;" alt="{\displaystyle \Gamma =\sigma \,v\,\rho }" loading="lazy"></span> hängt von Wirkungsquerschnitt <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle \sigma }">

</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle \sigma }</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/59f59b7c3e6fdb1d0365a494b81fb9a696138c36.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.338ex; width:1.33ex; height:1.676ex;" alt="{\displaystyle \sigma }" loading="lazy"></span>, Relativgeschwindigkeit der Teilchen <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle v}">

</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle v}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/e07b00e7fc0847fbd16391c778d65bc25c452597.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.338ex; width:1.128ex; height:1.676ex;" alt="{\displaystyle v}" loading="lazy"></span> (also der Energie) und Dichte <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle \rho }">

</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle \rho }</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/1f7d439671d1289b6a816e6af7a304be40608d64.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.838ex; width:1.202ex; height:2.176ex;" alt="{\displaystyle \rho }" loading="lazy"></span> ab). Das gilt für:

</p>

<msub>

</mrow>

</msub>

</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle \Gamma _{A,i}<H}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/85ea0b476633f87dc5d7addaafbc7916ab0b5bdb.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -1.005ex; width:9.104ex; height:2.843ex;" alt="{\displaystyle \Gamma _{A,i}<H}" loading="lazy"></span></dd></dl>

<p>Ein weiterer Punkt ist die Art des <a href="Phasen%C3%BCbergang" title="Phasenübergang">Phasenübergangs</a> bei der Baryogenese. Er sollte erster Art sein, damit sich die Bubble mit den schon gebildeten Baryonen vereinigen ähnlich dem Übergang Gas-Flüssigkeit, wo der kühleren flüssigen Phase die Baryonen-Phase entspricht. Bei einem Phasenübergang zweiter Art findet dagegen ein kontinuierlicher Übergang statt. Aus diesem Grund wird ein Sphaleron-Übergang nach dem üblichen kosmologischen Szenario mit Kopplung an einen elektroschwachen Symmetriebruch ausgeschlossen, da dieser nur bis 73 GeV Masse des <a href="Higgsteilchen" class="mw-redirect" title="Higgsteilchen">Higgsteilchens</a> 1. Art ist, das Higgsteilchen aber 123 GeV Masse besitzt. Sphaleronen werden aber weiterhin in Szenarien jenseits des Standardmodells für die Baryogenese diskutiert.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Leptogenese">Leptogenese</h2></div>

<p>Einige neuere Theorien zur Entstehung der Baryonenasymmetrie favorisieren statt einer direkten Verletzung der Baryonensymmetrie die <a href="Leptogenese" title="Leptogenese">Leptogenese</a> (Masataka Fukugita, <a href="Tsutomu_Yanagida" title="Tsutomu Yanagida">Tsutomu Yanagida</a> 1986).<sup id="cite_ref-3" class="reference"><a href="#cite_note-3"><span class="cite-bracket">[</span>3<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Hier wird die Asymmetrie zunächst zwischen Leptonen und Antileptonen erzeugt und dann durch Sphaleron-Prozesse in die Baryonenasymmetrie konvertiert. Eine weitere Theorie der Leptogenese über den Zerfall von sterilen <a href="Majorana-Teilchen" class="mw-redirect" title="Majorana-Teilchen">Majorana</a>-Neutrinos (und anschließender Baryogenese über Sphaleronen) entwickelte <a href="Wilfried_Buchm%C3%BCller" title="Wilfried Buchmüller">Wilfried Buchmüller</a> mit Kollegen in den 1990er Jahren.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Literatur">Literatur</h2></div>

<ul><li>James M. Cline: <i>Der Ursprung der Materie</i>. In: Spektrum der Wissenschaft. November, 2004, S. 32–41</li>

<li><a href="Mikhail_Shaposhnikov" class="mw-redirect" title="Mikhail Shaposhnikov">M.E. Shaposhnikov</a>: <i>Electroweak baryogenesis</i>, Contemporary Physics, 1998, Band 39, S. 177</li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Einzelnachweise">Einzelnachweise</h2></div>

<li id="cite_note-1"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-1">↑</a></span> <span class="reference-text">Leonard Susskind, Savas Dimopoulos: Baryon Number of the Universe, Physical Review D. Band 18, 1978, S. 4500.</span>

</li>

<li id="cite_note-2"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-2">↑</a></span> <span class="reference-text">Dieses Beispiel mit willkürlich, nur den Vorgang illustrierenden Wahrscheinlichkeiten findet sich in David Cline, Ursprung der Materie, Spektrum der Wissenschaft, November 2004, Kasten S. 36</span>

</li>

<li id="cite_note-3"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-3">↑</a></span> <span class="reference-text">Wilfried Buchmüller, Roberto Peccei, Tsutomu Yanagida: Leptogenesis as the origin of matter. In: Annual Review of Particle and Nuclear Physics, Band 55, 2005, S. 311–355</span>

</li>

</ol></div><div><div class="zim-footer">

Dieser Artikel wurde von <a class="external text" title="Zuletzt bearbeitet am 2025-03-03" href="https://de.wikipedia.org/wiki/?title=Baryogenese&oldid=253844645">Wikipedia</a> herausgegeben. Der Text ist unter <a class="external text" href="https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de">Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0</a> verfügbar, sofern nicht anders angegeben. Für die Mediendateien können zusätzliche Bedingungen gelten.

</div>

</div></div>

</div>

</main>

</div>

</body></html>