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photon
Anmeldedatum: 11.12.2012
Beiträge: 192
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 Verfasst am: 07.01.2013, 20:33 Titel: CPT-Theorem und Baryogenese |
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eine der interessantesten offenen Fragen in der Physik ist wieso es im Universum keine Anti-Materie mehr gibt, d.h. wieso das ursprüngliche Materie-Antimaterie Gleichgewicht zu einem Materieüberschuss führte.
dazu habe ich mir folgende Artikel angesehen:
http://de.wikipedia.org/wiki/CPT-Theorem
http://de.wikipedia.org/wiki/Antimaterie
http://de.wikipedia.org/wiki/CP-Verletzung
http://de.wikipedia.org/wiki/Baryogenese
das CPT-Theorem besagt:
| Zitat: | | dass jeder Vorgang, der aus einem anderen möglichen Vorgang durch Vertauschen von Materie mit Antimaterie und zusätzliche Spiegelung und Zeitumkehr hervorgeht, ebenfalls im Einklang mit den Gesetzen der Physik steht und damit möglich ist. |
Zeitumkehr möglich?! Wenn das so ist, vielleicht läuft seit dem Urknall genau ein solcher CPT Vertauschungsvorgang ab: die Materie bewegt sich vorwärts durch die Zeit während die Antimaterie sich rückwärts bewegt. Da der Zeitpunkt Null mit dem Urknall zusammenfällt(?) sind sich seither Materie und Antimaterie zeitlich nie begegnet. Ich weiß, daß hört sich ziemlich naiv an, doch bitte sagt mir wo der Denkfehler ist. Denn wenn es so ''einfach'' wäre müßte schon längst jemand eine solche Vermutung geäußert haben und man müßte sich nicht den Kopf über die Baryogenese zerbrechen:
| Zitat: | | Die Baryogenese ist die Theorie zur dynamischen Entstehung (griech. Genese) der Baryonenasymmetrie, d. h. des Ungleichgewichts von Materie (Baryonen) und Antimaterie (Antibaryonen) im Universum. |
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Mit freundlichem Gruße
das photon |
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Herr Senf
Anmeldedatum: 12.05.2012
Beiträge: 249
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Uli
Anmeldedatum: 09.06.2006
Beiträge: 472
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| Verfasst am: 07.01.2013, 21:48 Titel: Re: Antimaterie und Zeitasymmetrie |
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Danke für den interessanten Link. Dass die Zeitumkehrsymmetrie T verletzt sein muss, das weiss/ahnt man ja schon lange; das ist nun die 1. direkte Beobachtung. Kurios auch, dass so lang nach Beendigung des Experimentes noch solch hochinteressante Ergebnisse aus den Daten gewonnen werden.
Wegen Baryogenese: nach meinem Kenntnisstand nimmt man an, dass sich die heute beobachtete Materie-Antimaterie-Asymmetrie beim Übergang von der ungebrochenen elektroschwachen Phase zur gebrochenen bei ungefähr bei Tc~1TeV manifestiert hat. In der Phase oberhalb der kritischen Temperatur gibt es keine Quark- und Neutrinovermischungen (die Kobayashi-Maskawa-Matrix ist diagonal und gleich der Einheitsmatrix, Quark- und Leptonenmassen sind ja "entartet", da alle gleich Null) und deshalb gibt es oberhalb auch keine CP-Verletzung, also perfekte Baryonen-Antibaryonen-Symmetrie. In der gebrochenen Phase hat man dagegen unterschiedliche Fermionmassen und die Kobayashi-Maskawa Matrix mit der komplexen Phase, die zu CP-verletzenden Prozessen führt.
Dieser Phasenübergang muss mit einer phantastische Veränderung des Vakuums einhergegangen sein: es haben sich zuerst Blasen ("bubbles") mit der neuen Phase entwickelt, die dann expandierten und zusammenwuchsen. |
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photon
Anmeldedatum: 11.12.2012
Beiträge: 192
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| Verfasst am: 07.01.2013, 22:40 Titel: |
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Hallo Herr Senf,
den Link hatte ich schon gelesen (kurz nachdem ich den Thread gestartet habe), er ist unten im Wiki-Artikel indiziert, danke für's posten, hätte ich glatt vergessen. Ich war auch über die Zeitnähe sehr überrascht.
@ Uli,
ich sehe, du steckst bereits weitaus tiefer in der Materie drin als ich  Also man kennt nun C, P, CP und T Verletzungen. Eine CPT Verletzung wurde bisher nicht nachgewiesen (auch wenn einige Theorien eine solche für möglich halten). Eine CPT Verletzung wäre meine ''Hypothese'' (oben) nicht, sehe ich das richtig? Und wichtiger für mich noch die Frage, wäre mein Vorschlag eine Möglichkeit oder wo liegt der Fehler. Möchte ungern solche Hypothesen im Hinterkopf behalten wenn sie physikalisch unsinnig sind 
noch ein paar interessante Links zum Thema:
http://www.physi.uni-heidelberg.de/~uwer/lectures/PhysikV/Vorlesung/Kapitel-IVd.pdf
http://www-project.slac.stanford.edu/e158/parityviolation.html
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Mit freundlichem Gruße
das photon |
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Barney
Anmeldedatum: 19.10.2008
Beiträge: 1538
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| Verfasst am: 08.01.2013, 07:49 Titel: |
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| photon hat Folgendes geschrieben: | | Da der Zeitpunkt Null mit dem Urknall zusammenfällt(?) sind sich seither Materie und Antimaterie zeitlich nie begegnet. |
Dann könnte man aber keine Paarbildungs- oder Paarvernichtungsprozesse beobachten.
Vielleicht hilft ja die Feynman-Stückelberg-Interpretation ein wenig weiter? Dort werden Antiteilchen ebenfalls als Teilchen interpretiert, die sich in der Zeit rückwärts bewegen. Meiner Meinung nach ist das aber keine realistische Beschreibung der Welt sondern eher eine Besonderheit der Dirac-Gleichung, welche diese Sichtweise erst nötig macht. |
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Uli
Anmeldedatum: 09.06.2006
Beiträge: 472
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| Verfasst am: 08.01.2013, 09:27 Titel: |
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| Barney hat Folgendes geschrieben: |
Meiner Meinung nach ist das aber keine realistische Beschreibung der Welt sondern eher eine Besonderheit der Dirac-Gleichung, welche diese Sichtweise erst nötig macht. |
Das sehe ich auch so; das ist reine Interpretation, die meiner bescheidenen Meinung nach - streng genommen - nichts mit Physik zu tun hat und und unbeobachtbar ist. Es hängt wohl grob gesehen "einfach" damit zusammen, dass die oszillatorischen Terme für Antiteilchen exp(i*E*t) im Exponenten mit einem anderen Vorzeichen kommen als die der Teilchen. |
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photon
Anmeldedatum: 11.12.2012
Beiträge: 192
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| Verfasst am: 08.01.2013, 11:09 Titel: |
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| Barney hat Folgendes geschrieben: | | photon hat Folgendes geschrieben: | | Da der Zeitpunkt Null mit dem Urknall zusammenfällt(?) sind sich seither Materie und Antimaterie zeitlich nie begegnet. |
Dann könnte man aber keine Paarbildungs- oder Paarvernichtungsprozesse beobachten. |
Hallo Barney,
bei diesen Paarbildungs- u. Vernichtungsprozesse werden Antiteilchen doch erst erzeugt? D.h. es handelt sich nicht um ''primordiale'' Antiteilchen. Daß von der Ur-Antimaterie nichts mehr zu sehen ist wäre dann unabhängig davon ob man ''neue'' Antimaterie erzeugt.
| Zitat: | | Vielleicht hilft ja die Feynman-Stückelberg-Interpretation ein wenig weiter? Dort werden Antiteilchen ebenfalls als Teilchen interpretiert, die sich in der Zeit rückwärts bewegen. Meiner Meinung nach ist das aber keine realistische Beschreibung der Welt sondern eher eine Besonderheit der Dirac-Gleichung, welche diese Sichtweise erst nötig macht. |
hmm, dort geht man - wenn ich es richtig verstehe - davon aus, daß sich die Teilchen zeitlich aufeinander zu bewegen, d.h. die Antiteilchen kommen aus der Zukunft, die Teilchen aus der Vergangenheit. Beide treffen sich in der Gegenwart. Wenn ich nun aber den Zeitpunkt ihrer Erzeugung bei beiden auf t=Null setze, würden sie sich überhaupt nicht begegnen. Ein Universum allerdings in welchem das Anti-Universum enstand als das Universum endete kann ich mir auch schwerlich vorstellen.
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Mit freundlichem Gruße
das photon |
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Uli
Anmeldedatum: 09.06.2006
Beiträge: 472
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| Verfasst am: 08.01.2013, 11:57 Titel: |
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| photon hat Folgendes geschrieben: |
hmm, dort geht man - wenn ich es richtig verstehe - davon aus, daß sich die Teilchen zeitlich aufeinander zu bewegen, d.h. die Antiteilchen kommen aus der Zukunft, die Teilchen aus der Vergangenheit.
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Das ist eine total abwegige Vorstellung: Energie- und Information transportierende Objekte, die aus der Zukunft kommen, verletzen ganz klar die Kausalität. Die Ursache eines Ereignisses, das wir heute beobachten, kann nicht in der Zukunft liegen!
Hier geht es mehr um Mathematik, Abbildungen und Symmetrien der Naturgesetze: wenn du einen Prozess beobachtest, und ersetzt dann die Teilchen, durch ihre Antiteilchen und kehrst zusätzlich die Richtung des Zeitpfeils um (t -> -t), dann ist dieser neue Prozess exakt gleich wahrscheinlich (CPT-Theorem).
Gruss, Uli |
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Barney
Anmeldedatum: 19.10.2008
Beiträge: 1538
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| Verfasst am: 08.01.2013, 11:58 Titel: |
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Hallo Photon,
| photon hat Folgendes geschrieben: | | bei diesen Paarbildungs- u. Vernichtungsprozesse werden Antiteilchen doch erst erzeugt? |
bei der Paarbildung werden Antiteilchen erzeugt und bei der Paarvernichtung vernichtet. Beide Prozesse hat man schon vielfach in Detektoren "abgelichtet".
| Zitat: | | D.h. es handelt sich nicht um ''primordiale'' Antiteilchen. |
Korrekt, aber warum sollten sich die Primordialen von den nicht-Primordialen unterscheiden?
| Zitat: | | hmm, dort geht man - wenn ich es richtig verstehe - davon aus, daß sich die Teilchen zeitlich aufeinander zu bewegen, d.h. die Antiteilchen kommen aus der Zukunft, die Teilchen aus der Vergangenheit. Beide treffen sich in der Gegenwart. |
EDIT: Das ist eben nur formal korrekt.
| Zitat: | | Ein Universum allerdings in welchem das Anti-Universum enstand als das Universum endete kann ich mir auch schwerlich vorstellen. |
EDIT: Man kann den Urknall natürlich als großen Paarbildungsprozess verstehen, aber das würde die Asymmetrie zwischen Antimaterie und Materie auch nicht erklären.
MfG |
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photon
Anmeldedatum: 11.12.2012
Beiträge: 192
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| Verfasst am: 08.01.2013, 12:46 Titel: |
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| Uli hat Folgendes geschrieben: | | photon hat Folgendes geschrieben: |
hmm, dort geht man - wenn ich es richtig verstehe - davon aus, daß sich die Teilchen zeitlich aufeinander zu bewegen, d.h. die Antiteilchen kommen aus der Zukunft, die Teilchen aus der Vergangenheit.
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Das ist eine total abwegige Vorstellung: Energie- und Information transportierende Objekte, die aus der Zukunft kommen, verletzen ganz klar die Kausalität. Die Ursache eines Ereignisses, das wir heute beobachten, kann nicht in der Zukunft liegen! |
ja, eben drum
| Zitat: | Hier geht es mehr um Mathematik, Abbildungen und Symmetrien der Naturgesetze: wenn du einen Prozess beobachtest, und ersetzt dann die Teilchen, durch ihre Antiteilchen und kehrst zusätzlich die Richtung des Zeitpfeils um (t -> -t), dann ist dieser neue Prozess exakt gleich wahrscheinlich (CPT-Theorem).
Gruss, Uli |
also mathematisch korrekt, doch vollkommen unrealistisch. Also faktisch auf den Punkt gebracht, es gibt absolut nichts was sich rückwärts durch die Zeit bewegen kann. Das wollte ich wissen, da habe ich die Aussage des CPT Theorems dann doch etwas zu wörtlich genommen
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Mit freundlichem Gruße
das photon |
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photon
Anmeldedatum: 11.12.2012
Beiträge: 192
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| Verfasst am: 08.01.2013, 12:57 Titel: |
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| Barney hat Folgendes geschrieben: | Hallo Photon,
| photon hat Folgendes geschrieben: | | bei diesen Paarbildungs- u. Vernichtungsprozesse werden Antiteilchen doch erst erzeugt? |
bei der Paarbildung werden Antiteilchen erzeugt und bei der Paarvernichtung vernichtet. Beide Prozesse hat man schon vielfach in Detektoren "abgelichtet". |
ja, und bevor sie vernichtet werden werden sie erzeugt.
| Zitat: | | Zitat: | | D.h. es handelt sich nicht um ''primordiale'' Antiteilchen. |
Korrekt, aber warum sollten sich die Primordialen von den nicht-Primordialen unterscheiden? |
weil sie halt zu verschiedenen Zeitpunkten erzeugt werden würden, die einen jetzt, die anderen damals. Und die, die jetzt erzeugt werden sähe man halt für einen kurzen Augenblick, dem Moment ihrer Erzeugung (, bis sie wieder verschwinden).
| Zitat: | | Zitat: | | hmm, dort geht man - wenn ich es richtig verstehe - davon aus, daß sich die Teilchen zeitlich aufeinander zu bewegen, d.h. die Antiteilchen kommen aus der Zukunft, die Teilchen aus der Vergangenheit. Beide treffen sich in der Gegenwart. |
EDIT: Das ist eben nur formal korrekt.
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verstanden. Siehe comment @ Uli.
| Zitat: | | Zitat: | | Ein Universum allerdings in welchem das Anti-Universum enstand als das Universum endete kann ich mir auch schwerlich vorstellen. |
EDIT: Man kann den Urknall natürlich als großen Paarbildungsprozess verstehen, aber das würde die Asymmetrie zwischen Antimaterie und Materie auch nicht erklären.
MfG |
ja, weil die Zeit eben nicht rückwärts laufen kann. Damit wäre wieder ein ''Missverständnis'' aus der Welt 
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Mit freundlichem Gruße
das photon |
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photon
Anmeldedatum: 11.12.2012
Beiträge: 192
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| Verfasst am: 09.01.2013, 12:29 Titel: |
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sorry wenn ich nochmal nachhake, mir will die Idee noch nicht aus dem Kopf. Dazu nochmal ein Zitat aus Wiki (http://de.wikipedia.org/wiki/CPT-Theorem):
| Zitat: | Wolfgang Pauli zeigte, dass jede Theorie CPT-invariant ist, die die folgenden Voraussetzungen erfüllt:
- Invarianz bezüglich Lorentz-Transformationen (genau genommen invariant unter eigentlicher orthochroner Poincaré-Transformation),
- Kausalität,
- Lokalität und
- ein nach unten beschränkter Hamilton-Operator, so dass es einen quantenmechanischen Zustand des Vakuums gibt.
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auf der Suche danach ob the RT CPT-invariant ist bin ich auf folgendes Paper gestoßen:
http://arxiv.org/pdf/1103.4937v1.pdf
dort wird angenommen, daß:
| Zitat: | | general relativity is CPT invariant, even though the CPT theorem [21], well established in flat space-time, has not been demonstrated in curved space-time. |
also mal angenommen, daß die RT wirklich CPT invariant wäre, dann wäre
| Zitat: | | jeder Vorgang, der aus einem anderen möglichen Vorgang durch Vertauschen von Materie mit Antimaterie und zusätzliche Spiegelung und Zeitumkehr hervorgeht, ebenfalls im Einklang mit den Gesetzen der Physik steht und damit möglich. |
also hier steht es ja im Prinzip direkt: nicht nur mathematisch sondern auch physikalisch wären solche Vorgänge möglich.
Wenn ich also wie einleitend angedeutet, das Universum bei t = Null starten lasse und das Anti-Universum ebenfalls, jedoch im Anti-Universum eine CPT Vertauschung vorliegt, d.h. die Ladung konjugiert, der Raum gespiegelt und die Zeit umgekehrt ist, dann müßte dieses Anti-Universum auch im Einklang mit den Gesetzen der Physik stehen (bes. Stichwort Kausalität), d.h. eine Möglichkeit sein. Halt unter der Vorraussetzung, daß die ART (wie im Artikel) als CPT-invariant angenommen werden kann. Man könnte sich dann das Gesamtuniversum wie die Raumzeitkegel in der RT vorstellen, nur mit den beiden Unterschieden, daß die Zeit dort wo sich die Kegelspitzen berühren - beim Urknall - ihren Ursprung hat und sich Materie in unserem Kegel und Antimaterie im anderen Kegel befindet. Die Vergangenheit vor dem Urknall wäre also nicht unsere Vergangenheit sondern der Beginn der Zeit im Anti-Universum, allerdings relativ zu uns gesehen mit negativem Zeitpfeil. Die Prozesse würden dort vielleicht genauso wie bei uns ablaufen, außer daß sie raumgespiegelt, ladungskonjugiert und zeitinvertiert wären. Für den Betrachter im Anti-Universum liefe die Zeit aus seiner Sicht auch vorwärts und die Kausalität wäre nicht verletzt.
Und dadurch, daß die Zeitpfeile umgekehrt wären könnte man die primordiale Antimaterie in unserem Universum nicht sehen weil sie sich nicht in unserem Raumzeitkegel befindet. Ich finde es auch etwas merkwürdig, daß man überhaupt keine primordiale Antimaterie mehr finden kann, als ob sich beide Materieformen am Anfang komplett annihiliert hätten. Es könnten doch Überreste von Antimaterie im ''leeren'', materiefreien Raum übrig geblieben sein, die sich hin und wieder durch helles ''Aufblitzen'' im All bemerkbar machen würde wenn sie dann doch mit Materie zusammentrifft.
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Mit freundlichem Gruße
das photon |
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Uli
Anmeldedatum: 09.06.2006
Beiträge: 472
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| Verfasst am: 09.01.2013, 17:51 Titel: |
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| photon hat Folgendes geschrieben: |
...
also mal angenommen, daß die RT wirklich CPT invariant wäre, dann wäre
| Zitat: | | jeder Vorgang, der aus einem anderen möglichen Vorgang durch Vertauschen von Materie mit Antimaterie und zusätzliche Spiegelung und Zeitumkehr hervorgeht, ebenfalls im Einklang mit den Gesetzen der Physik steht und damit möglich. |
also hier steht es ja im Prinzip direkt: nicht nur mathematisch sondern auch physikalisch wären solche Vorgänge möglich.
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Ja, das ist die Konsequenz. Mal das Beispiel eines Streu-Prozesses:
(1) elektron + positron -> myon + antimyon
CP macht daraus
(2) positron + elektron -> antimyon + myon
darauf wiederum wieder T angewandt (Pfeilrichtung ändern) und wir haben CPT komplettiert:
(3) antimyon + myon -> positron + elektron
Der Prozess (3) ist nicht nur möglich, sondern läuft im Standardmodell (das CPT-invariant ist) auch mit der gleichen Wahrscheinlichkeitsamplitude wie (1) ab. Natürlich ist dieser CPT-gespiegelte Prozess auch physikalisch möglich. Warum sollte er das auch nicht sein.
Du willst nun den gesamten Urknall CPT-transformieren?
Das wäre dann kein Urknall mehr sondern eine Ereignis, bei dem aus allen Richtungen Teilchen auf einen Punkt zuströmen (statt auseinander zu fliegen, das ist die Wirkung von T): kein "big bang" sondern "big final" oder so. Wenn du dazu dann noch dafür sorgst, dass statt jedes wegfliegenden Teilchens das entsprechende Antiteilchen mit der gleichen Geschwindigkeit einläuft (wegen CP), dann hättest du den Urknall CPT-transformiert.
Also: du guckst dir einen beobachteten Prozess aus und wendest darauf CPT an, erhältst den gespiegelten Prozess und kannst dann eine quantitative Vorhersage für seine Wahrscheinlichkeit (z.B. Streuquerschnitte) machen.
| photon hat Folgendes geschrieben: |
Wenn ich also wie einleitend angedeutet, das Universum bei t = Null starten lasse und das Anti-Universum ebenfalls, jedoch im Anti-Universum eine CPT Vertauschung vorliegt,
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Was ist das Anti-Universum?
Warum soll da eine CPT-Vertauschung vorliegen?
Laut Urknalltheorie fliegt alles auseinander: Teilchen wie Antiteilchen.
Du kannst dir nun überlegen, wie der CPT gespiegelte Urknall aussieht, aber nicht die eine Hälfte der Teilchen CPT transformieren und die andere nicht.
Die ART reicht für diese Betrachtungen übrigens sicher nicht; du brauchst Quantentheorien. |
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Barney
Anmeldedatum: 19.10.2008
Beiträge: 1538
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| Verfasst am: 09.01.2013, 18:32 Titel: |
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| Uli hat Folgendes geschrieben: |
(1) elektron + positron -> myon + antimyon
CP macht daraus
(2) positron + elektron -> antimyon + myon
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Bist Du Dir da sicher? Eigentlich ersetzt doch nur die volle CPT-Transformation bei jedem Teilchen, das Teilchen durch sein Antiteilchen (s. Feynman-Stückelberg-Interpretation)? |
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Uli
Anmeldedatum: 09.06.2006
Beiträge: 472
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| Verfasst am: 09.01.2013, 20:33 Titel: |
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| Barney hat Folgendes geschrieben: | | Uli hat Folgendes geschrieben: |
(1) elektron + positron -> myon + antimyon
CP macht daraus
(2) positron + elektron -> antimyon + myon
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Bist Du Dir da sicher? Eigentlich ersetzt doch nur die volle CPT-Transformation bei jedem Teilchen, das Teilchen durch sein Antiteilchen (s. Feynman-Stückelberg-Interpretation)? |
CPT macht mehr als das; es wird zusätzlich noch die Richtung des Zeitpfeils geändert.
Zur Historie, in den frühen Tagen der Teilchenphysik (vor Entdeckung der Paritätsverletzung) war man tatsächlich davon ausgegangen, dass die Operation C, d.h. die Invertierung aller Materiequantenzahlen (Ladung, Baryonenzahl etc.) geeignet ist, aus einem Teilchenzustand den Zustand des entsprechenden Antiteilchens zu erzeugen.
Seit Entdeckung der maximalen Verletzung der Parität durch die schwache Wechselwirkung weiss man aber, dass C alleine nicht ausreicht. Besonders deutlich wird das am Beispiel der Neutrinos: die an der schwachen Wechselwirkung teilnehmenden Neutrinos sind ausschließlich linkshändig und die Gegenstücke aber ausschließlich rechtshändig. C alleine würde aus einem linkshändigen Neutrino nicht sein Antiteilchen sondern einen (bislang) unbeobachteten Zustand erzeugen. CP dagegen erledigt den "Job".
Diagramm aus einer österreichischen Diplomarbeit
Warum verschwand die Antimaterie?
Ist aber trotzdem richtig.
Nach meinem Verständnis besteht der Hauptnutzen der Stückelberg-Feynman-Interpretation darin, die Basis für Feynmanregeln und Konstruktion von Feynmandiagrammen zu liefern. Tatsächlich zeichnet man ja den Fluss von Antifermionlinien gegen die "Bewegungsrichtung" der Teilchen, also in Richtung des Flusses der positiven Materiequantenzahlen. Entsprechend wird ein auslaufendes Antifermion bei der Rechnung sehr ähnlich einem einlaufenden Fermion behandelt. Für innere Linien spielt es bei der Berechnung dann überhaupt keine Rolle mehr, ob man annimmt, da laufe ein virtuelles Teilchen von rechts nach links im Diagramm oder ein virtuelles Antiteilchen von links nach rechts.
Siehe z.B. das Kapitel "Propagatoren und Faktoren"
in
http://www.physik.uni-wuerzburg.de/fileadmin/11010700/TeilchenVorlesung_WS0809/FeynmanRegeln_WS0809.pdf
Dort erkennst du z.B., dass für auslaufenden Fermionen und für einlaufende Antifermionen jeweils der konjugierte Spinor genommen wird (mit der Querstrich-Notation).
In der Störungstheorie der QED (und anderer Feldtheorien) gibt es bei der Berechnung also gewisse Analogien zwischen einlaufenden Fermionen und auslaufenden Antifermionen und umgekehrt. Das ist nach meinem Verständnis, das zugegeben beschränkt genug ist, die wesentliche Bedeutung der Stückelberg-Feynman-Interpretation und sie besagt nicht, dass erst CPT aus einem Teilchen sein Antiteilchen erzeugt.
Gruss,
Uli |
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