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Wie ist die Materie in unserem Universum aus dem Nichts entstanden?

Auf allen Ebenen des Universums, von unserer lokalen Nachbarschaft über das interstellare Medium bis hin zu einzelnen Galaxien, Galaxienhaufen, Filamenten und dem großen kosmischen Netz, scheint alles, was wir beobachten, aus normaler Materie und nicht aus Antimaterie zu bestehen. Dies ist ein unerklärliches Rätsel.

NASA, ESA und das Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Wenn man auf die Weite des Universums blickt, auf die Planeten, Sterne, Galaxien und alles, was es da draußen gibt, schreit eine offensichtliche Frage nach einer Erklärung: Warum ist da etwas und nicht nichts? Das Problem verschärft sich noch, wenn man die physikalischen Gesetze betrachtet, denen unser Universum unterliegt und die anscheinend völlig symmetrisch zwischen Materie und Antimaterie sind. Wenn wir uns jedoch ansehen, was da draußen ist, stellen wir fest, dass alle Sterne und Galaxien, die wir sehen, zu 100 % aus Materie und kaum aus Antimaterie bestehen. Es ist klar, dass wir existieren, ebenso wie die Sterne und Galaxien, die wir sehen, also muss irgendetwas mehr Materie als Antimaterie geschaffen haben, was das uns bekannte Universum möglich gemacht hat. Aber wie ist das geschehen? Das ist eines der größten Rätsel des Universums, aber eines, dessen Lösung wir näher sind als je zuvor.

Der Materie- und Energiegehalt im Universum zum jetzigen Zeitpunkt (links) und zu früheren Zeiten… (rechts). Man beachte das Vorhandensein von dunkler Energie, dunkler Materie und das Überwiegen der normalen Materie gegenüber der Antimaterie, die so winzig ist, dass sie zu keinem der gezeigten Zeitpunkte einen Beitrag leistet.

NASA, modifiziert von Wikimedia Commons Benutzer 老陳, weiter modifiziert von E. Siegel

Betrachten Sie diese beiden Fakten über das Universum und wie widersprüchlich sie sind:

  1. Jede Wechselwirkung zwischen Teilchen, die wir je beobachtet haben, hat bei allen Energien nie ein einziges Materieteilchen erzeugt oder zerstört, ohne dass dabei auch eine gleiche Anzahl von Antimaterieteilchen erzeugt oder zerstört wurde.
  2. Wenn wir auf das Universum blicken, auf all die Sterne, Galaxien, Gaswolken, Haufen, Superhaufen und Strukturen größten Ausmaßes überall, scheint alles aus Materie und nicht aus Antimaterie zu bestehen.

Es scheint eine Unmöglichkeit zu sein. Einerseits gibt es angesichts der Teilchen und ihrer Wechselwirkungen im Universum keine bekannte Möglichkeit, mehr Materie als Antimaterie zu erzeugen. Andererseits ist alles, was wir sehen, definitiv aus Materie und nicht aus Antimaterie gemacht.

Die Erzeugung von Materie/Antimaterie-Paaren (links) aus reiner Energie ist eine vollständig umkehrbare Reaktion (rechts), bei der Materie/Antimaterie wieder zu reiner Energie annihiliert wird. Dieser Erschaffungs- und Vernichtungsprozess, der E = mc^2 gehorcht, ist der einzige bekannte Weg, um Materie oder Antimaterie zu erschaffen und zu zerstören.

Dmitri Pogosyan / University of Alberta

Wann immer und wo immer Antimaterie und Materie im Universum aufeinandertreffen, gibt es einen fantastischen Energieausbruch aufgrund der Teilchen-Antiteilchen-Vernichtung. Wir beobachten diese Annihilation an einigen Orten, aber nur in der Nähe von hyperenergetischen Quellen, die Materie und Antimaterie in gleichen Mengen produzieren, wie zum Beispiel in der Nähe von massiven schwarzen Löchern. Wenn die Antimaterie auf die Materie im Universum trifft, erzeugt sie Gammastrahlen mit ganz bestimmten Frequenzen, die wir dann nachweisen können. Das interstellare und intergalaktische Medium ist voller Materie, und das völlige Fehlen dieser Gammastrahlen ist ein starkes Signal dafür, dass nirgendwo große Mengen von Antimaterieteilchen herumfliegen, da diese Materie/Antimaterie-Signatur auftauchen würde.

Ob in Sternhaufen, Galaxien, unserer eigenen stellaren Nachbarschaft oder unserem Sonnensystem, wir haben enorme,… starke Grenzen für den Anteil von Antimaterie im Universum. Es kann keinen Zweifel geben: Alles im Universum ist von Materie dominiert.

Gary Steigman, 2008, via http://arxiv.org/abs/0808.1122

Im interstellaren Medium unserer eigenen Galaxie würde die mittlere Lebensdauer in der Größenordnung von etwa 300 Jahren liegen, was im Vergleich zum Alter unserer Galaxie winzig ist! Diese Einschränkung besagt, dass zumindest innerhalb der Milchstraße die Menge an Antimaterie, die sich mit der von uns beobachteten Materie vermischen kann, höchstens 1 Teil in 1.000.000.000.000.000 beträgt! In größeren Maßstäben – z. B. bei Galaxien und Galaxienhaufen – sind die Beschränkungen weniger streng, aber immer noch sehr streng. Bei Beobachtungen, die sich von wenigen Millionen Lichtjahren bis zu über drei Milliarden Lichtjahren Entfernung erstrecken, haben wir einen Mangel an Röntgen- und Gammastrahlen festgestellt, die wir bei der Materie-Antimaterie-Vernichtung erwarten würden. Was wir gesehen haben, ist, dass selbst in großen kosmologischen Maßstäben mehr als 99,999 % dessen, was in unserem Universum existiert, definitiv Materie (wie wir) und nicht Antimaterie ist.

Das ist der Reflexionsnebel IC 2631, wie er vom MPG/ESO 2,2-m-Teleskop abgebildet wurde. Ob in unserer… eigenen Galaxie oder zwischen Galaxien, es gibt einfach keine Beweise für die Gammastrahlen-Signaturen, die es geben müsste, wenn es bedeutende Taschen, Sterne oder Galaxien aus Antimaterie gäbe.

ESO

Also müssen wir irgendwie, auch wenn wir nicht ganz sicher sind, wie, in der Vergangenheit des Universums mehr Materie als Antimaterie geschaffen haben. Dies wird noch verwirrender durch die Tatsache, dass die Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie in der Teilchenphysik sogar noch deutlicher ist, als man vielleicht denkt. Zum Beispiel:

  • jedes Mal, wenn wir ein Quark erschaffen, erschaffen wir auch ein Antiquark,
  • jedes Mal, wenn ein Quark zerstört wird, wird auch ein Antiquark zerstört,
  • jedes Mal, wenn wir ein Lepton erschaffen oder zerstören, erschaffen oder zerstören wir auch ein Antilepton aus der gleichen Leptonenfamilie, und
  • jedes Mal, wenn ein Quark oder ein Lepton eine Wechselwirkung, eine Kollision oder einen Zerfall erfährt, ist die Netto-Gesamtzahl der Quarks und Leptonen am Ende der Reaktion (Quarks minus Antiquarks, Leptonen minus Antileptonen) am Ende die gleiche wie am Anfang.

Die einzige Möglichkeit, wie wir jemals mehr (oder weniger) Materie im Universum erzeugt haben, bestand darin, auch mehr (oder weniger) Antimaterie in gleicher Menge zu erzeugen.

Die Teilchen und Antiteilchen des Standardmodells gehorchen allen möglichen Erhaltungsgesetzen, aber es …. gibt es leichte Unterschiede im Verhalten bestimmter Teilchen-Antiteilchen-Paare, die Hinweise auf den Ursprung der Baryogenese sein könnten.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Aber wir wissen, dass es möglich sein muss; die Frage ist nur, wie es passiert ist. In den späten 1960er Jahren identifizierte der Physiker Andrej Sacharow drei Bedingungen, die für die Baryogenese, also die Entstehung von mehr Baryonen (Protonen und Neutronen) als Anti-Baryonen, notwendig sind. Sie lauten wie folgt:

  1. Das Universum muss ein aus dem Gleichgewicht geratenes System sein.
  2. Es muss eine C- und CP-Verletzung aufweisen.
  3. Es muss Wechselwirkungen geben, die die Baryonenzahl verletzen.

Die erste Bedingung ist einfach, denn ein expandierendes, sich abkühlendes Universum mit instabilen Teilchen (und/oder Antiteilchen) darin ist per Definition aus dem Gleichgewicht geraten. Die zweite ist ebenfalls einfach, da sowohl die „C“-Symmetrie (Ersetzen von Teilchen durch Antiteilchen) als auch die „CP“-Symmetrie (Ersetzen von Teilchen durch spiegelbildliche Antiteilchen) in den schwachen Wechselwirkungen verletzt werden.

Ein normales Meson dreht sich gegen den Uhrzeigersinn um seinen Nordpol und zerfällt dann mit einem Elektron, das… entlang der Richtung des Nordpols emittiert wird. Bei Anwendung der C-Symmetrie werden die Teilchen durch Antiteilchen ersetzt, was bedeutet, dass ein Antimeson, das sich gegen den Uhrzeigersinn um seinen Nordpol dreht, durch die Emission eines Positrons in nördlicher Richtung zerfallen sollte. Ähnlich verhält es sich mit der P-Symmetrie, die das, was wir in einem Spiegel sehen, umkehrt. Wenn sich Teilchen und Antiteilchen unter C-, P- oder CP-Symmetrien nicht genau gleich verhalten, wird diese Symmetrie als verletzt bezeichnet. Bisher hat nur die schwache Wechselwirkung eine der drei Symmetrien verletzt.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Bleibt die Frage, wie die Baryonenzahl verletzt werden kann. Im Standardmodell der Teilchenphysik gibt es trotz der beobachteten Erhaltung der Baryonenzahl kein explizites Erhaltungsgesetz für diese oder die Leptonenzahl (wobei ein Lepton ein Teilchen wie ein Elektron oder ein Neutrino ist). Stattdessen bleibt nur die Differenz zwischen Baryonen und Leptonen, B – L, erhalten. Unter den richtigen Umständen kann man also nicht nur zusätzliche Protonen erzeugen, sondern auch die Elektronen, die man dazu braucht.

Welche Umstände das sind, ist allerdings noch ein Rätsel. In den frühen Stadien des Universums erwarten wir, dass gleiche Mengen an Materie und Antimaterie existieren, mit sehr hohen Geschwindigkeiten und Energien.

Bei den hohen Temperaturen, die im sehr jungen Universum erreicht werden, können nicht nur Teilchen und Photonen… spontan entstehen, sondern auch Antiteilchen und instabile Teilchen, was zu einer ursprünglichen Teilchen-und-Antiteilchen-Suppe führt.

Brookhaven National Laboratory

Wenn sich das Universum ausdehnt und abkühlt, zerfallen instabile Teilchen, die einst in großer Zahl entstanden sind. Wenn die richtigen Bedingungen erfüllt sind, können sie zu einem Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie führen, selbst dort, wo ursprünglich keine vorhanden war. Es gibt drei Hauptmöglichkeiten, wie dieser Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie entstanden sein könnte:

  • Neue Physik auf der elektroschwachen Skala könnte die Menge an C- und CP-Verletzungen im Universum stark erhöhen, was zu einer Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie führt. Sphaleron-Wechselwirkungen, die B und L einzeln verletzen (aber B – L erhalten), können dann die richtigen Mengen an Baryonen und Leptonen erzeugen. Dies könnte entweder ohne Supersymmetrie oder mit Supersymmetrie geschehen, je nach Mechanismus.
  • Die neue Neutrinophysik bei hohen Energien, von der wir einen enormen Hinweis haben, könnte schon früh eine fundamentale Leptonasymmetrie erzeugen: die Leptogenese. Die Sphaleronen, die B – L erhalten, würden dann diese Lepton-Asymmetrie nutzen, um eine Baryon-Asymmetrie zu erzeugen.
  • Oder Baryogenese auf der GUT-Skala, bei der neue Physik (und neue Teilchen) auf der Skala der großen Vereinigung gefunden werden, wo sich die elektroschwache Kraft mit der starken Kraft vereinigt.

Diese Szenarien haben alle einige Elemente gemeinsam, also lassen Sie uns das letzte durchgehen, nur als Beispiel, um zu sehen, was passiert sein könnte.

Wenn die Idee einer Großen Vereinheitlichten Theorie auf… unser Universum zutrifft, gibt es zusätzlich zu den anderen Teilchen im Universum noch superschwere Bosonen, X- und Y-Teilchen, zusammen mit ihren Antiteilchen, die mit ihren entsprechenden Ladungen inmitten des heißen Meeres anderer Teilchen im frühen Universum erscheinen.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Wenn die große Vereinigung wahr ist, dann müsste es neue, superschwere Teilchen geben, die X und Y genannt werden und sowohl baryonen- als auch leptonähnliche Eigenschaften haben. Es müsste auch ihre Antimaterie-Gegenstücke geben: Anti-X und Anti-Y, mit den entgegengesetzten B-L-Zahlen und den entgegengesetzten Ladungen, aber der gleichen Masse und Lebensdauer. Diese Teilchen-Antiteilchen-Paare können bei ausreichend hohen Energien in großer Menge erzeugt werden und zerfallen dann zu einem späteren Zeitpunkt.

Das Universum kann also mit ihnen gefüllt werden, und dann zerfallen sie. Bei einer C- und CP-Verletzung ist es jedoch möglich, dass es leichte Unterschiede gibt, wie die Teilchen und Antiteilchen (X/Y vs. Anti-X/Anti-Y) zerfallen.

Wenn wir zulassen, dass X- und Y-Teilchen in die gezeigten Quark- und Leptonenkombinationen zerfallen, werden ihre… Antiteilchen-Gegenstücke in die entsprechenden Antiteilchenkombinationen zerfallen. Aber wenn CP verletzt wird, können die Zerfallswege – oder der Prozentsatz der Teilchen, die auf die eine oder andere Weise zerfallen – für die X- und Y-Teilchen im Vergleich zu den Anti-X- und Anti-Y-Teilchen unterschiedlich sein, was zu einer Nettoproduktion von Baryonen gegenüber Antibaryonen und Leptonen gegenüber Antileptonen führt.

E. Siegel / Jenseits der Galaxie

Wenn Ihr X-Teilchen zwei Wege hat: den Zerfall in zwei up-Quarks oder ein anti-down-Quark und ein Positron, dann muss das anti-X zwei entsprechende Wege haben: zwei anti-up-Quarks oder ein down-Quark und ein Elektron. Man beachte, dass das X in beiden Fällen einen B – L-Wert von zwei Dritteln hat, während das Anti-X einen negativen Wert von zwei Dritteln hat. Ähnlich verhält es sich mit den Y/Anti-Y-Teilchen. Es gibt jedoch einen wichtigen Unterschied, der bei der C- und CP-Verletzung zulässig ist: Das X könnte mit größerer Wahrscheinlichkeit in zwei up-Quarks zerfallen als das anti-X in zwei anti-up-Quarks, während das anti-X mit größerer Wahrscheinlichkeit in ein down-Quark und ein Elektron zerfallen könnte als das X in ein anti-down-Quark und ein Positron.

Wenn man genügend X/anti-X- und Y/anti-Y-Paare hat und sie auf diese Weise zerfallen, kann man leicht einen Überschuss an Baryonen gegenüber Antibaryonen (und Leptonen gegenüber Antileptonen) erzeugen, wo es vorher keinen gab.

Wenn die Teilchen nach dem oben beschriebenen Mechanismus zerfallen würden, bliebe ein… Überschuss an Quarks gegenüber Antiquarks (und Leptonen gegenüber Antileptonen) übrig, nachdem alle instabilen, superschweren Teilchen zerfallen sind. Nachdem die überschüssigen Teilchen-Antiteilchen-Paare annihiliert wurden (mit gestrichelten roten Linien gekennzeichnet), bliebe ein Überschuss an Up- und Down-Quarks übrig, aus denen sich Protonen und Neutronen in Kombinationen von Up-Up-Down bzw. Up-Down-Down zusammensetzen, sowie Elektronen, die zahlenmäßig den Protonen entsprechen.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Mit anderen Worten, man kann mit einem völlig symmetrischen Universum beginnen, das allen bekannten physikalischen Gesetzen gehorcht und das spontan Materie und Antimaterie nur in gleichen und entgegengesetzten Paaren erzeugt, und am Ende einen Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie haben. Es gibt mehrere mögliche Wege zum Erfolg, aber es ist sehr wahrscheinlich, dass die Natur nur einen davon brauchte, um uns unser Universum zu geben.

Die Tatsache, dass wir existieren und aus Materie bestehen, ist unbestreitbar; die Frage, warum unser Universum etwas (Materie) und nicht nichts (aus einer gleichen Mischung von Materie und Antimaterie) enthält, ist eine, die eine Antwort haben muss. In diesem Jahrhundert könnten die Fortschritte bei den elektroschwachen Präzisionstests, der Collider-Technologie und den Experimenten zur Erforschung der Teilchenphysik jenseits des Standardmodells Aufschluss darüber geben, wie es genau dazu kam. Und wenn dies der Fall ist, wird eines der größten Rätsel der Existenz endlich eine Lösung haben.

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