Bayronen (griech: „gewichtig“) sind Teilchen, die aus je drei Quarks bestehen. Über diese unterliegen sie der starken Wechselwirkung, d.h. gehören zusammen mit den Mesonen zu den Hadronen. Außerdem sind Baryonen Fermionen („Materieteilchen“), weil sie einen halbzahligen Spin besitzen.

Protonen (uud)und Neutronen (udd) sind die bekanntesten Vertreter der Baryonen. Neben diesen beiden Nukleonen sind aber noch eine Reihe weiterer, schwererer und exotischer Teilchen mit von der Partie: Die sogenannten Hyperonen.

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In Abgrenzung zur Dunklen Materie, Dunklen Energie bezeichnet man die gewöhnliche, sichtbare und eben aus Baryonen konstituierte Materie als „Baryonische Materie“. Die Baryonische Materie macht etwa 5% der Gesamtmaterie des Universums aus, woraus die restlichen 95% bestehen, zählt zu den großen Fragen der modernen Physik.

Baryogenese (Genese, bildungssprachl. für: Entstehung, Entwicklung) kennzeichnet im Rahmen der Kosmologie die Entstehung der baryonischen Materie aus Quarks. Auf die Baryogenese folgte die weitaus besser verstandene primordiale Nukleosynthese.

Baryonenasymmetrie

Von besonderem Interesse ist die Frage, woher die beobachtete Dominanz der Materie (Baryonen) gegenüber der Antimaterie (Antibaryonen) rührt? Oder: Warum gibt es überhaupt Materie?

Physiker gehen davon aus, dass zu Beginn des Universums ebenso viel Materie wie Antimaterie existierte, da die Natur i.d.R. symmetrisch abläuft. Das hätte aber eine Annihilationskette zur Folge, bei der sich Materie und Antimaterie eins zu eins vernichtet hätte und alle Materie verpufft wäre. Die Folge wäre ein materieloses Universum. Offensichtlich ist das Universum aber materieerfüllt, weshalb sich, unter der wohlbegründeten Prämisse von symmetrischen Anfangsbedingungen, die Frage stellt, warum es im heutigen Universum überhaupt Materie gibt und nicht alle gleich mitsamt der Antimaterie annihiliert ist?

Wahrscheinlich lagen am Ende der Zerfälle mehr Materie- als Antimaterieteilchen vor. Dies würde auch das heute beobachtbare Ungleichgewicht zwischen Baryonen und Antibaryonen, die Baryonenasymmetrie, erklären. Auf jede Milliarde Antiteilchen kamen eine Milliarde und ein Teilchen, so die gängigen Theorien. Dieses geringe Missverhältnis würde bereits ausreichen, um die Existenz der Baryonen und die fast verschwindende Existenz von Antibaryonen im heutigen Universum zu erklären.

Dass im umliegenden Kosmos mehr Materie als Antimaterie existiert, lässt sich leicht nachweisen: Auf der Erde gibt es (abgesehen von der wenigen in den Teilchenbeschleunigern) keine Antimaterie, alles andere würde uns auffallen. Auch der Mond, Mars, Saturn etc. müssen baryonisch sein, da ansonsten Neil Armstrong oder die Voyager-Raumsonden zerstrahlt wären. Jetzt mag man noch auf die Idee kommen, es könne baryonische und antibaryonische Bereiche im Universum geben und wir zufällig in einem baryonischen Abschnitt leben. Dagegen spricht, dass man in diesem Fall einen erhöhten Gammafluss messen müsste, was verneint werden muss, und dass es im Grenzgebiet zwischen diesen Bereichen wieder zu Annihilationsreaktionen kommen müsste. Man wäre wieder beim alten Problem: Warum existiert Materie?

Alles läuft auf diese eine Frage hinaus: Warum scheint es mehr Baryonen zu geben bzw. gegeben zu haben?

Der sowjetische Physiker Andrej Dmitrijewitsch Sacharow war 1967 der Erste, der notwendige Kriterien für die bevorzugte Entstehung von Baryonen im frühen Universum bzw. für die Baryonenasymmetrie formulierte. Man spricht von den drei Sakharowkriterien:

1.    Baryonenzahlverletzung: Setzt man symmetrische Bedingungen am Anfang voraus, muss sich die Baryonenzahl in der Zwischenzeit verändert haben, um jetzt ein symmetrisches Baryonen-Antibaryonen-Bild zu entwerfen. Einfacher gesagt ist es logisch notwendig von einer Veränderung der Baryonenzahl während der Baryonengenese auszugehen, wenn Baryonen vor dieser Phase in gleich großer - und nach ihr in weitaus größerer Zahl als die Antibaryonen vorkommen.

2.    C−& CP-Verletzung: C steht für Charge, engl. Ladung. Und CP für Charge-Parity, d.h. Ladungsparität. Darunter versteht man die Erhaltung der Vorgänge unter Umkehrung aller Ladungen C (positiv zu negativ und negativ zu positiv) bzw. bei der gleichzeitigen Umkehr von Ladung und Parität CP. Sind diese beiden Symmetrien gegeben, so verhalten sich Antiteilchen grundsätzlich entgegensetzt gleich. Besteht hingegen keine dieser Symmetrien, werden also C- & CP verletzt, müssen auch die Zerfallsraten von Teilchen und Antiteilchen nicht mehr gleich sein. Im frühen Universum könnten dann vornehmlich Quarks entstanden sein, die sich im Dreierpack zu Baryonen zusammentaten und die heutige Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie erklären. Die C(P)-Verletzung ist im Standardmodell erfüllt, der gemessene Wert ist aber noch zu klein, um die Baryonenasymmetrie zu klären.

3.    Thermisches-Gleichgewicht-Verletzung: Vorschnell könnte man nun annehmen, allein mit Punkt 1 und 2 sei eine Baryogenese bereits möglich. Dabei übersieht man jedoch ein essentielles Detail: Mehr Ur-Quarks bedeutet im Falle eines thermischen Gleichgewichts auch mehr Rückreaktionspartner. Bald würde sich das Verhältnis von Quarks und Antiquarks so wieder auf ein Gleichgewicht einpendeln und eine Baryonenasymmetrie wäre von nun an ausgeschlossen. Also ist ein thermisches Ungleichgewicht von Nöten, da nur in diesem der Zerfall in Quarks wahrscheinlicher ist als die entsprechende Rückreaktion, d.h. eine Quarkdominanz überhaupt evolvieren kann.

Was ein thermisches Gleichgewicht ist, lässt sich ganz gut am Beispiel eines Kochtopfs erläutern: Bei geschlossenem Deckel finden die Hin- und Rückreaktionen zwischen flüssigem und gasförmigen H20 bei konstanter Temperatur mit je gleich hoher Wahrscheinlichkeit statt. Öffnet man den Deckel, entsteht ein thermisches Ungleichgewicht und es findet fast nur noch ein Übergang von flüssig zu gasförmig statt.

Damit wurde gezeigt, dass die Sacharowkriterien die minimalsten Voraussetzungen für eine Baryogenese repräsentieren. Auf keinen der drei Punkte darf verzichtet werden, ohne das Programm einer Baryogenese-Theorie gleich mitaufzugeben. Es gibt verschiedene Spekulationen darüber, wie die Baryogenese genau ausgehen haben könnte und manche unter ihnen stellen noch zusätzliche Forderungen, die drei Sacharowkriterien aber sind ihnen allen zwingendermaßen gemein.

• #Hyperon: ist eine exotische und besonders schwere Form der Baryonen.

• Antiteilchen: Baryonen bestehen aus je drei Quarks, dementsprechend bestehen Antibaryonen aus je drei Antiquarks.

• Grundkräfte der Physik: Baryonen unterliegen neben vor allem der starken auch der schwachen Wechselwirkung, der Gravitation und im geladenen Zustand der elektromagnetischen Kraft.

• Higgs-Boson: Nach der Higgsogenesen-Theorie ist das (hypothetische) Antiteilchen des Higgs-Bosons für die Baryonenasymmetrie verantwortlich.

• Kernphysik: Das (Anti-)Proton ist als einziges Baryon auch als freies Teilchen stabil. Als leichtestes Baryon wird ihm die Baryonenzahl 1 zugeschrieben, was eine absolute Erhaltungsgröße ist. Das Neutron hingegen zerfällt beispielsweise, sobald es nicht mehr im Atomkern mit anderen Nukleonen gebunden ist.

• Kosmische Strahlung: Wenn kosmische Antimaterie-Domänen existent wären, sollte die auf der Erde eintreffende kosmische Strahlung Antimaterieteilchen (z.B. Antihelium) enthalten. Durch den Nachweis eines einzigen so gelagerten Antikohlenstoffkerns könnte bspw. die Existenz ganzer „Anti-Sterne“ bewiesen werden (weil Kohlenstoff nicht beim Urknall gebildet werden konnte). Solche Entdeckungen bleiben jedoch bislang aus, was die Existenz dieser „Anti-Zonen“ unwahrscheinlich erscheinen lässt.

• Lepton: Baryon ist altgriechisch und heißt so viel wie „schwer“, oder „gewichtig“, analog zu den „leichten“ Leptonen und „mittelschweren“ Mesonen.

• Standardmodell: Die Frage, warum Materie und Antimaterie sich nicht schon lange gegenseitig eliminiert haben, stellt auch die gut bewährte Theorie vom Standardmodell der Teilchenphysik vor ein Problem.

Stand: 2015

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