Sphaleron

Sphaleron

Das Sphaleron (griech. „bereit zu fallen“) ist eine hypothetische Anregung des Vakuums im Standardmodell der Elementarteilchenphysik, die in einigen Theorien der Baryogenese eine Rolle spielt.

Die Sphaleron-Prozesse wurden erstmals 1984 von Frans Klinkhamer und Nicholas Manton mathematisch beschrieben. Sie sind nicht störungstheoretisch im Rahmen der Quantenfeldtheorie des Standardmodells beschreibbar. Experimentell konnten sie noch nicht bestätigt werden.

Die Vakuumzustände der elektroschwachen Theorie sind im Standardmodell nicht eindeutig, und so weist das Potential eine periodische Struktur von Minima auf. Wechselt nun ein System von einem Vakuumzustand in den anderen, so geschieht dies mittels sogenannter Sphaleronen. Dies sind instabile Lösungen der Feldgleichungen, die zwischen den Vakua existieren. Sphaleronen nehmen den Weg über die Potentialbarriere zwischen den Vakua (bei Energien von E > 100 GeV).

Es gibt auch die Möglichkeit, von einem Vakuum in das nächste zu tunneln, diesen Vorgang bezeichnet man als Instanton. Da Tunneleffekte jedoch exponentiell unterdrückt werden, sind solche Vorgänge sehr unwahrscheinlich.

Anschaulich gesprochen dienen die Sphaleronen als Ventil zwischen Leptonen und Baryonen, da sie die eine Teilchensorte in die andere überführen können. An einem Sphaleron-Prozess nehmen jeweils drei Quarks (eines jeder Farbladung) aus jeder der drei Teilchenfamilien teil, sowie je ein Lepton aus der entsprechenden Lepton-Familie. Alle müssen rechtshändig sein.

Sphaleronen erhalten die Größe $ B-L $, verletzen jedoch $ B+L $ (B: Baryonenzahl, L: Leptonenzahl). Somit kann man mittels Sphaleronen auch eine Baryogenese via Leptogenese generieren.

Literatur

  • Cline, James M.: Der Ursprung der Materie. In: Spektrum der Wissenschaft. November, 2004.
  • Mark Trodden: Baryogenesis and Leptogenesis, 12/2004, arxiv:hep-ph/0411301

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