Einfach erklärt
Nach dem Urknall gab es fast ebenso viel Materie wie Antimaterie. Beide hätten sich gegenseitig auslöschen können. Eine Studie schlägt vor, dass ein schweres, langlebiges Teilchen die Entwicklung des jungen Universums verändert und so vielleicht dafür gesorgt hat, dass ein kleiner Rest Materie übrig blieb. Spuren davon könnten sich in uralten Gravitationswellen finden.
Heute scheint das Universum voller Materie zu sein: Sterne, Galaxien und Planeten – kurz: alles, was wir kennen. Doch hinter diesem gewaltigen Bild steckt eine rätselhafte Frage: Warum ist überhaupt Materie übrig geblieben? Nach den gängigen Vorstellungen entstanden in der frühen Phase des Universums Materie und Antimaterie in nahezu gleicher Menge. Trifft ein Materieteilchen auf sein Antiteilchen, werden beide in Energie umgewandelt. Wäre das Gleichgewicht zwischen den beiden Seiten vollkommen gewesen, hätte sich bei diesen Begegnungen fast alles aufgelöst. Für die Entstehung kosmischer Strukturen wäre dann nicht genug Materie übrig geblieben.
Ein Team der University of Southampton und des Indian Institute of Technology Kanpur hat eine mögliche Erklärung vorgestellt. Sie rückt einen bislang wenig beachteten Kandidaten in den Mittelpunkt: eine hypothetische, schwere Art von Neutrino, die nur schwach mit den übrigen Teilchen wechselwirkt. Den Berechnungen der Forschenden zufolge bedeutet diese geringe Wechselwirkung nicht automatisch, dass das Teilchen keine Rolle spielt. Weil es möglicherweise sehr langlebig ist, könnte es die frühe Entwicklung des Universums beeinflusst haben.
Warum ist die Frage nach der Materie noch offen?
Das Problem: Mit den bekannten Naturgesetzen lässt sich nicht ohne Weiteres erklären, warum das Universum heute aus der Materie besteht, die wir beobachten. In seinen frühen Phasen war es extrem heiß. Teilchen und ihre Antiteilchen entstanden und vernichteten sich fortwährend gegenseitig. Während sich das Universum ausdehnte und abkühlte, liefen diese Vorgänge weiter – bis die meisten Teilchen schließlich auf ihre Antiteilchen trafen und in Form von Energie verschwanden.
Doch das beobachtete Ergebnis ist kein Universum, in dem praktisch keine Materie mehr vorhanden wäre. Materie ist übrig geblieben, und offenbar genügte dafür ein kleiner Unterschied zwischen den beiden Seiten. Gab es nur ein wenig mehr Materieteilchen als Antiteilchen, blieb nach der gegenseitigen Vernichtung der Paare ein Überschuss zurück. Dieser geringe Rest bildet die Grundlage für Sterne und Planeten. Er erklärt aber noch nicht, wie der Unterschied entstand oder wodurch die Bedingungen dafür festgelegt wurden.
In der Physik wird diese Ungleichheit als Materie-Antimaterie-Asymmetrie bezeichnet. Sie ist kein nebensächliches Detail: Unsere Existenz hängt davon ab, dass das Universum nicht mit einem vollkommen ausgeglichenen Verhältnis aus seiner Frühzeit hervorging. Woher diese leichte Bevorzugung der Materie stammt, ist dennoch ungeklärt. Die neue Studie untersucht die Frage aus einem anderen Blickwinkel. Statt sich vor allem auf Teilchen zu konzentrieren, die stark wechselwirken und unmittelbar an bekannten Vorgängen beteiligt sind, prüft das Team, ob ein Teilchen, das an solchen Wechselwirkungen kaum teilnimmt, die kosmischen Bedingungen indirekt verändern könnte.
Ein schweres Neutrino, das zunächst kaum auffällt
Neutrinos sind extrem leichte Teilchen, die gewöhnliche Materie meist nahezu ungehindert durchqueren. Der in der Studie untersuchte Kandidat gehört hypothetisch zu einer verwandten Teilchenfamilie, ist aber schwerer als die bekannten Neutrinos und nur äußerst schwach an die übrigen Teilchen gekoppelt. Deshalb lag es nahe, ihn bei Berechnungen zur Entstehung des Ungleichgewichts zwischen Materie und Antimaterie als weitgehend bedeutungslos einzustufen.
Im vorgeschlagenen Szenario kommt es jedoch weniger darauf an, wie häufig das Teilchen wechselwirkt, sondern darauf, wie lange es lebt. Den Schätzungen der Forschenden zufolge zerfällt es nach seiner Entstehung nicht schnell. Während sich das Universum ausdehnt und abkühlt, könnte es lange genug bestehen bleiben, um den Energiegehalt des Kosmos spürbar zu beeinflussen. Das heißt nicht unbedingt, dass es zahlenmäßig zu den häufigsten Teilchen gehörte. Vielmehr könnte sein Beitrag zur gesamten Energiebilanz zeitweise größer gewesen sein als der anderer Bestandteile.
Das erklärt, wie ein Teilchen mit so wenigen Wechselwirkungen trotzdem weitreichende Folgen haben könnte. Das frühe Universum war keine unveränderliche Bühne, auf der Teilchen bloß miteinander reagierten: Dichte, Temperatur und Ausdehnungsgeschwindigkeit veränderten sich laufend. Wenn das schwere Neutrino lange genug vorhanden war, konnte es die Entwicklung dieser Bedingungen beeinflussen. Dem Modell zufolge durchlief das Universum eine vorübergehende Phase, in der die Energie dieses Teilchens den größten Beitrag lieferte – bevor es zerfiel.
Laut Rishav Roshan, einem Forscher an der University of Southampton und Mitautor der Studie, ist gerade die lange Lebensdauer des Teilchens entscheidend dafür, dass es mehr sein könnte als eine unbedeutende Nebenkomponente. Es könnte nicht früh aus dem Geschehen verschwunden sein, sondern während der Abkühlung des Universums fortbestanden und dadurch jene Phase beeinflusst haben, in der die Voraussetzungen für die Materie-Antimaterie-Asymmetrie entstanden. Das belegt nicht, dass es dieses Teilchen tatsächlich gibt. Es zeigt aber, dass sich seine mögliche Bedeutung nicht allein mit dem Hinweis auf seine schwachen Wechselwirkungen ausschließen lässt.
Veränderte Bedingungen in einem entscheidenden Moment
Die Idee besagt nicht, dass das schwere Neutrino Materie unmittelbar erzeugte oder Antimaterie in Materie verwandelte. Seine angenommene Rolle ist subtiler: Seine Anwesenheit könnte die Entwicklung des Universums verändert und damit auch die Temperatur beeinflusst haben, bei der wichtige Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen und ihren Antiteilchen abliefen. Der Zeitpunkt dieser Vorgänge könnte entscheidend dafür sein, wie groß das Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie wurde.
In diesem Zusammenhang spielen Elektronen und eine größere Gruppe von Elementarteilchen eine Rolle, die Leptonen genannt werden. Hinzu kommt ein Mechanismus, an dem das Higgs-Boson beteiligt ist. Das Higgs-Boson ist mit dem Prozess verbunden, durch den viele Elementarteilchen ihre Masse erhalten. Im Szenario des Forschungsteams verändert das schwere Neutrino die Temperatur, bei der bestimmte Teilchen mithilfe des Higgs-Bosons mit ihren Antiteilchen wechselwirken.
Man kann sich die Temperatur hier als eine Art Wendepunkt im Ablauf der Wechselwirkungen vorstellen – nicht als einen buchstäblichen Schalter im Universum. Bei bestimmten Temperaturen unterscheiden sich die Wahrscheinlichkeit und die Geschwindigkeit von Teilchenreaktionen von denen bei anderen Temperaturen. Wenn der Beitrag des schweren Neutrinos dazu führte, dass diese Bedingungen im Universum zu einem anderen Zeitpunkt herrschten, könnte sich auch verändert haben, wie das Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie entstand. So könnte ein Teilchen, das selbst nur selten wechselwirkt, indirekt eine Wirkung entfalten.
Der Vorschlag erweitert die bisherigen Berechnungen um einen zusätzlichen Einflussfaktor. Modelle zur Entstehung der Asymmetrie ließen solche Neutrinos oft außen vor, weil sie nur schwach wechselwirken. Die neue Studie fragt, ob diese Vernachlässigung tatsächlich gerechtfertigt ist. Ihre Berechnungen legen nahe, dass das Teilchen aufgrund seiner langen Lebensdauer und seines Einflusses auf die gesamte Energiebilanz wichtig sein könnte – selbst wenn es an den üblichen Wechselwirkungen kaum beteiligt ist.
Die Ausdehnungsgeschichte könnte kosmische Spuren bewahren
Das vorgeschlagene Szenario hätte nicht nur Folgen für das Verhältnis von Materie zu Antimaterie. Wenn ein schweres Teilchen für kurze Zeit den größten Anteil an der Energiedichte des Universums stellte, könnte sich dessen Ausdehnung anders entwickelt haben, als es ohne dieses Teilchen der Fall gewesen wäre. Denn die Ausdehnungsgeschwindigkeit hängt davon ab, welche Energieformen im Universum vorhanden sind. Wenn sich also änderte, welcher Bestandteil überwog, könnte das Spuren in der Geschichte der frühesten kosmischen Phasen hinterlassen haben.
Sudipta Show, Mitautor der Studie am Indian Institute of Technology Kanpur, weist darauf hin, dass eine solche mögliche Veränderung der Ausdehnungsgeschichte einen Weg eröffnet, die Idee zu überprüfen, statt sie nur theoretisch zu diskutieren. Veränderungen im frühen Universum könnten charakteristische Spuren in ursprünglichen Gravitationswellen hinterlassen haben. Dabei handelt es sich um Wellen in der Raumzeit, die nach heutigen Annahmen bei manchen der ersten kosmischen Vorgänge entstanden sein könnten.
Falls sich solche Wellen nachweisen oder ihre Eigenschaften präzise bestimmen lassen, könnten sie Informationen über die Bedingungen im Universum vor unvorstellbar langer Zeit enthalten. Wichtig ist: Die Forschenden behaupten nicht, bestimmte Gravitationswellen seien bereits beobachtet worden und hätten die Existenz des schweren Neutrinos bewiesen. Sie schlagen vielmehr vor, dass ihr Szenario Muster erzeugen könnte, die sich in ursprünglichen Signalen erkennen lassen. Solche Spuren könnten künftig dazu dienen, zu prüfen, ob sich die Ausdehnung des Universums tatsächlich wie angenommen verändert hat.
Diese Spurensuche unterscheidet sich davon, das Teilchen selbst direkt beobachten zu wollen. Das hypothetische Neutrino ist heute nicht mehr in einer Form vorhanden, in der es sich als gewöhnliches Objekt im Universum nachweisen ließe. Sein Einfluss auf die Bedingungen in der Frühzeit könnte sich jedoch in Signalen niedergeschlagen haben, die aus jener Epoche erhalten geblieben sind. Die Forschenden würden also indirekt vorgehen: Sie suchen nach möglichen Hinweisen in der Ausdehnungsgeschichte und vergleichen diese anschließend mit den Vorhersagen verschiedener Modelle.
Ein vielversprechender Ansatz, aber kein endgültiger Beweis
Die Studie ist in der Fachzeitschrift Physical Review Letters erschienen, die von der American Physical Society herausgegeben wird. Sie präsentiert theoretische Arbeit und Berechnungen zu einem Modell, das ein schwach gekoppeltes schweres Neutrino mit einer vorübergehenden Dominanz bei der Energiedichte und veränderten Bedingungen für die Entstehung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie verbindet. Dabei ist es wichtig, zwischen einem Vorschlag zu unterscheiden, der mit bestimmten Berechnungen vereinbar ist, und einem experimentellen Nachweis, der die Existenz des Teilchens oder seine tatsächliche Rolle beim Überleben der Materie bestätigt.
Die Studie eröffnet der Physik einen neuen Ansatzpunkt für Tests. Sollten künftig ursprüngliche Signale entdeckt werden, die zu bestimmten Veränderungen der kosmischen Ausdehnung passen, könnte das Szenario dadurch an Plausibilität gewinnen. Stimmen die Daten dagegen nicht mit den erwarteten Spuren überein, müssten die Forschenden das Modell möglicherweise überarbeiten oder nach einer anderen Erklärung suchen. In beiden Fällen ist die Frage nicht schon dadurch geklärt, dass eine Idee vorgelegt wurde. Ihr wissenschaftlicher Wert liegt darin, überprüfbare Vorhersagen zu machen, die sich mit Beobachtungen vergleichen lassen.
Wenn von einer »Dominanz« des Teilchens die Rede ist, bedeutet das außerdem nicht, dass das Universum vollständig aus ihm bestanden hätte oder andere Teilchen verschwunden wären. Gemeint ist, dass sein möglicher Beitrag zur gesamten Energiedichte für einen begrenzten Zeitraum der größte gewesen sein könnte. Dieser Unterschied ist wichtig, um die Hypothese richtig zu verstehen: Es geht um eine vorübergehende Phase in der Entwicklung des Kosmos, nicht darum, dass das schwere Neutrino zu allen Zeiten dauerhaft vorherrschte.
Vor allem aber löst die Studie das Rätsel der Materie nicht endgültig. Sie schlägt vor, dass es in der Geschichte des Universums einen bislang zu wenig berücksichtigten Akteur gegeben haben könnte. Dessen Einfluss wäre demnach nicht durch starke direkte Wechselwirkungen entstanden, sondern dadurch, dass er den Zeitpunkt von Wechselwirkungen und die Ausdehnung des Kosmos veränderte. Die Einzelheiten müssen noch gründlicher geprüft werden. Um eine Verbindung zwischen dem Teilchen und der Materie-Antimaterie-Asymmetrie zu belegen, braucht es zudem Beobachtungsdaten oder unabhängige Tests des Modells.
Fazit
Die Studie nimmt ein schweres, neutrinoähnliches Teilchen in den Blick, das wegen seiner schwachen Wechselwirkungen bislang als wenig bedeutsam galt. Den Berechnungen eines Teams der University of Southampton und des Indian Institute of Technology Kanpur zufolge könnte es so lange gelebt haben, dass es die Energiebilanz des frühen Universums vorübergehend beeinflusste. Dadurch könnten sich die Temperatur und der Zeitpunkt jener Vorgänge verändert haben, die mit dem Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie zusammenhängen. Auch die Ausdehnung des Universums könnte davon geprägt worden sein – mit möglichen Spuren in ursprünglichen Gravitationswellen. Die in Physical Review Letters veröffentlichte Idee bleibt allerdings eine theoretische Erklärung und ist kein endgültiger Nachweis. Sollten sich eines Tages passende Signale finden, könnten sie uns der Antwort auf eine Frage näherbringen, die mit unserer eigenen Existenz verbunden ist: Wie konnte Materie übrig bleiben, nachdem sie auf Antimaterie getroffen war?