Im Labor können wir aus Energie Materie erzeugen. Teilchenbeschleuniger tun dies ständig. Dabei entsteht zur Hälfte Materie und zur anderen Hälfte Antimaterie. Es gibt eine Symmetrie in der Physik, die erfordert, dass Materie und Antimaterie in gleichen Mengen vorkommen. Aber wenn wir uns im Universum umschauen, sehen wir Materie. Wie also hat der Urknall all die Materie, die wir sehen, erschaffen, ohne die gleiche Menge Antimaterie zu erzeugen? Die Antwort könnte Neutrinos sein.
Materie und Antimaterie sind wie kosmische Zwillinge. Für jede Art von Materieteilchen gibt es ein entsprechendes Antimaterieteilchen. Der Hauptunterschied zwischen den beiden ist ihre elektrische Ladung. Zum Beispiel hat ein Elektron eine negative Ladung, während das Antielektron (allgemein Positron genannt) eine positive Ladung hat. Protonen haben eine positive Ladung, während Antiprotonen eine negative Ladung haben.
Grundsymmetrien in der Physik. Credit: Flip Tanedo
Eine der fundamentalen Symmetrien in der Physik ist die Ladungserhaltung. Die Gesamtladung im Universum ist null, und das kann sich nicht ändern. Wenn Sie also ein geladenes Materieteilchen erzeugen, müssen Sie auch ein entsprechendes Antimaterie-Teilchen mit der entgegengesetzten Ladung erzeugen. Diese Symmetrie ist für die Physik so zentral, dass Astronomen denken, dass der Urknall Materie und Antimaterie in gleichen Mengen geschaffen hat. Kurz darauf muss etwas passiert sein, das das Universum mit mehr Materie als Antimaterie verlassen hat.
Darin liegt das wahre Geheimnis. Welcher Mechanismus könnte den Kosmos dazu bringen, die Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie zu durchbrechen? Eine Idee konzentriert sich auf Neutrinos.
Neutrinos sind Elementarteilchen, die keine elektrische Ladung haben. Aber sie haben eine Eigenschaft namens schwacher Isospin, die im Wesentlichen die „Ladung“ der schwachen Kraft ist. Das bedeutet, dass es sowohl Materie- als auch Antimaterie-Neutrinos gibt. Aber Neutrinos haben zwei Eigenschaften, die sie von jedem anderen Elementarteilchen unterscheiden. Die erste ist, dass ihre Masse „unscharf“ ist. Es gibt drei verschiedene Massen, die ein Neutrino haben kann, und ein typisches Neutrino befindet sich in einer Quantenüberlagerung aller drei. Deshalb können Neutrinos schwanken zwischen verschiedenen Geschmacksrichtungen. Die zweite hat mit ihrer Chiralität zu tun.
Links- und rechtshändige Chiralität. Quelle: Wikipedia
Jedes Elementarteilchen hat eine rotationsähnliche Eigenschaft, die als Spin bekannt ist. Wenn ein Teilchen durch den Weltraum schießt, können der Spin und die Bewegung in seine Bewegungsrichtung oder entgegengesetzt zu seiner Bewegung zeigen. Erstere wird als rechtshändige Chiralität bezeichnet, während letztere als linkshändige Chiralität bezeichnet wird. Sowohl Materie- als auch Antimaterieteilchen können eine der beiden Chiralitäten aufweisen, mit Ausnahme des Neutrinos. Neutrinos sind immer Linkshänder und Antineutrinos sind immer Rechtshänder.
Wir wissen nicht, warum das so ist, aber eine Idee ist, dass die Chiralität die Neutrinomasse durch einen Prozess beeinflusst, der als Wippenmechanismus bekannt ist. In diesem Modell existieren rechtshändige Neutrinos und linkshändige Anti-Neutrinos, aber ihre Massen sind so groß, dass wir sie bei typischen Teilchenwechselwirkungen nicht sehen. Dieser Wippmechanismus könnte das Mysterium des Universums aus überwiegend Materie lösen, das wir heute sehen.
Wie eine kosmische Phasenänderung ein Materieuniversum erschaffen könnte. Bildnachweis: R.Hurt/Caltech-JPL, NASA und ESA, mit Modifikationen von Kavli IPMU
Die Idee ist, dass das Universum sehr bald nach dem Erscheinen von Materie und Antimaterie im Kosmos einen Phasenwechsel durchmachte, bei dem mehr Antimaterie in schwere Anti-Neutrinos umgewandelt wurde als Materie in schwere Materie-Neutrinos umgewandelt wurde. Die Gesamtladung des Universums blieb null und das Materie-Antimaterie-Gleichgewicht ist erhalten, aber was übrig blieb, war hauptsächlich normale Materie und schwere Anti-Neutrinos.
Es ist eine großartige Idee, aber bedeutungslos, es sei denn, Sie können es beweisen. Kürzlich hat ein Team einen Weg vorgeschlagen, der gemacht werden könnte. Wenn eine solche Phasenänderung aufgetreten wäre, hätte die Massenverschiebung im beobachtbaren Universum Gravitationswellen erzeugt. In ihrer jüngsten Arbeit argumentieren sie, dass diese Gravitationswellen von zukünftigen Gravitationsteleskopen nachweisbar sein sollten. Wenn sie Recht haben, könnte es endlich eines der größten Rätsel der Kosmologie lösen.
Referenz: Dror, Jeff A., et al. “ Testen des Wippenmechanismus und der Leptogenese mit Gravitationswellen . '
