Daten des amerikanischen BaBar-Experiments zeigen: Die Uhren sogenannter B-Mesonen laufen rückwärts anders als vorwärts.

BaBar-Detektor, rückwärts laufende Uhren
© Stanford University
Techniker bereiten den BaBar-Detektor vor.
Stanford (USA) - In der Welt des Kleinsten geht vieles sonderbar zu. Dort regieren die Gesetze der Quantenphysik und sind etwa dafür verantwortlich, dass der Ort eines Teilchens umso unschärfer wird, je genauer seine Geschwindigkeit gemessen wird. Bei aller Fremdartigkeit des Mikrokosmos sorgen allerdings einige Symmetrien für Ordnung. Zu den wichtigsten gehören die miteinander verknüpften Symmetrien der Zeitumkehr, der räumlichen Spiegelung und der Überführung von Teilchen in Antiteilchen. Nachdem für die anderen beiden Symmetrien bereits seit Jahren bekannt ist, dass sie im Mikrokosmos nicht immer erhalten sind, konnten Forscher dies nun auch für die Zeitsymmetrie feststellen.

Ein grundlegendes Postulat der heute akzeptierten Theorie der Elementarteilchen besagt, dass die Gesetze der Quantenphysik in identischer Form auf die Natur anwendbar sind, wenn all diese drei Symmetrien gemeinsam vorliegen. Wer also einen physikalischen Prozess betrachtet, der spiegelbildlich und in umgekehrter zeitlicher Abfolge abläuft und bei dem alle Teilchen gegen ihre Antiteilchen ausgetauscht werden, kann ihn mit exakt denselben Gesetzen beschreiben wie das ursprünglichen Geschehen.

Die Theorien der Quantenphysik beschreiben drei grundlegende Kräfte: die elektromagnetische Kraft sowie die starke und die schwache Kernkraft. Die starke Kernkraft ist für den Zusammenhalt der Atomkerne verantwortlich, die schwache Kernkraft hingegen für Prozesse wie die Umwandlung von Atomkernen, ohne die das Sonnenfeuer nicht brennen könnte. Während die elektromagnetische Kraft und die starke Kernkraft alle drei Symmetrien einzeln befolgen und somit auch jede Kombination von ihnen, ist die schwache Kernkraft als Symmetrieverletzerin berüchtigt.

Bislang war von ihr bekannt, dass die von ihr bewirkten Prozesse im Spiegelbild völlig anders ausschauen als die Originale. Man kennt das zwar aus dem Badezimmerspiegel; die Entdeckung dieses Zusammenhangs bei einzelnen Elementarteilchen war in den 1950er Jahren für die Physik aber trotzdem ein Schock. Die Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie wird ebenfalls von der schwachen Kernkraft verletzt, sogar in Kombination mit der räumlichen Spiegelung. Für die Erklärung dieser Symmetriebrüche - aufbauend auf Arbeiten des Italieners Nicola Cabibbo - erhielten die Japaner Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa 2008 den Nobelpreis.

Da der Theorie zufolge die Kombination aller drei Symmetrien aber weiterhin gültig sein sollte, vermuteten Teilchenphysiker schon lange, dass auch die Zeitsymmetrie von der schwachen Kernkraft verletzt wird. Denn wenn bei der Anwendung von zwei Symmetrien etwas Krummes herauskommt, dann muss die dritte Symmetrie es wieder gerade biegen, sonst bleibt das Gesamtergebnis krumm.

Forscher des BaBar-Detektors am amerikanischen Teilchenbeschleuniger Stanford Linear Accelerator haben anhand ihrer Daten nun erstmals direkt nachweisen können, dass die schwache Kernkraft auch die zeitliche Umkehr verletzt, dass also bestimmte Quantenprozesse in einer Zeitrichtung nicht so ablaufen wie in der anderen. Ein solches Ereignis wurde zwar schon seit vielen Jahren gesucht. Es war aber vertrackt schwer, einen Prozess zu isolieren, bei dem die anderen Symmetrien keine Rolle spielen und somit das Ergebnis beeinflussen können.

Den Forschern gelang der Nachweis anhand eines besonders schweren und instabilen exotischen Teilchens, des sogenannten B-Mesons. Diese können sich in verschiedenen Zuständen befinden und zwischen diesen wechseln. Je nach Zustand zerfallen die kurzlebigen B-Mesonen dann in unterschiedliche leichtere Teilchen.

Unter den optimierten Bedingungen des BaBar-Experiments werden die B-Mesonen vorzugsweise paarweise hergestellt, und zwar im selben Zustand. Zunächst bestimmten die Forscher den Zustand des Teilchens, das zuerst zerfällt, dann den des anderen. Aus den Zerfallsprodukten konnten sie auf den Zustand der beiden B-Mesonen zum Zeitpunkt ihres Zerfalls schließen. War dieser unterschiedlich, so musste eines der beiden seinen Zustand geändert haben.

Der Teilchenbeschleuniger ist zwar mittlerweile abgeschaltet. Die Forscher konnten dank der in zehn Jahren gesammelten Daten aber trotzdem fast eine halbe Milliarde Zerfälle von B-Mesonen analysieren. Dabei stellten sie eindeutig fest, dass diese Teilchen sechsfach schneller von einem in den anderen Zustand wechseln als umgekehrt. Was zunächst nach einer eher harmlosen Notiz klingt, ist für die Teilchenphysik ein zwar erwartetes, aber fundamental wichtiges Ergebnis, wie Mitinitiator José Bernabéu erklärt: „Früher hielt man es für unmöglich, die Zeitsymmetrie mit instabilen Teilchen zu testen.“ Sein Kollege Fernando Martínez-Vidal ergänzt: "Es war sehr aufregend, eine Methode zu entwickeln, mit der man direkt und unzweideutig die asymmetrische Natur der Zeit nachweisen kann.“ Möglich wurde dieses Ergebnis nur, weil die BaBar-Wissenschaftler ihren Detektor in langjähriger akribischer Arbeit so hervorragend verstanden haben, dass sie auch seltene und exotische Zerfälle genau einordnen können.

Quelle: „Observation of Time Reversal Violation in the B0 Meson System“, J. P. Lees et al.; Physical Review Letters; DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.211801