Ein Geheimnis um die kosmische Materie lüften

Zu Beginn seiner Geschichte, kurz nach dem Urknall, war das Universum mit gleichen Mengen an Materie und „Antimaterie“ gefüllt – Teilchen, die Gegenstücke zur Materie sind, aber mit entgegengesetzter Ladung. Aber dann, als sich der Weltraum ausdehnte, kühlte sich das Universum ab. Das heutige Universum ist voller Galaxien und Sterne, die aus Materie bestehen. Wohin ging die Antimaterie, und wie kam es dazu, dass die Materie das Universum beherrschte? Dieser kosmische Ursprung der Materie gibt Wissenschaftlern weiterhin Rätsel auf.

Physiker der University of California, Riverside, und der Tsinghua University in China haben nun einen neuen Weg zur Erforschung des kosmischen Ursprungs der Materie eröffnet, indem sie den „kosmologischen Collider“ aufgerufen haben.

Nicht irgendein Collider

Hochenergie-Collider, wie der Large Hadron Collider, wurden gebaut, um sehr schwere subatomare Elementarteilchen zu erzeugen, die neue Physik offenbaren könnten. Aber einige neue Physik, wie die zur Erklärung der Dunklen Materie und des Ursprungs der Materie, können viel schwerere Teilchen beinhalten, die viel höhere Energie erfordern, als das, was ein von Menschen hergestellter Collider liefern kann. Es stellt sich heraus, dass der frühe Kosmos als solcher Supercollider hätte dienen können.

Yanou Cui, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie an der UCR, erklärte, dass allgemein angenommen wird, dass die kosmische Inflation, eine Ära, in der sich das Universum mit einer exponentiell beschleunigten Geschwindigkeit ausdehnte, dem Urknall vorausging.

„Die kosmische Inflation lieferte eine hochenergetische Umgebung, die die Produktion schwerer neuer Teilchen sowie deren Wechselwirkungen ermöglichte“, sagte Cui. „Das inflationäre Universum verhielt sich wie ein kosmologischer Collider, außer dass die Energie bis zu 10 Milliarden Mal größer war als die eines von Menschen hergestellten Colliders.“

Laut Cui wurden mikroskopisch kleine Strukturen, die durch energetische Ereignisse während der Inflation entstanden, mit der Expansion des Universums gedehnt, was zu Regionen unterschiedlicher Dichte in einem ansonsten homogenen Universum führte. Anschließend bildeten diese mikroskopischen Strukturen die großräumige Struktur unseres Universums, die sich heute als Verteilung von Galaxien über den Himmel manifestiert. Cui erklärte, dass neue subatomare Teilchenphysik aufgedeckt werden könnte, indem man den Abdruck des kosmologischen Colliders im heutigen Inhalt des Kosmos untersucht, wie etwa Galaxien und den kosmischen Mikrowellenhintergrund.

Cui und Zhong-Zhi Xianyu, Assistenzprofessor für Physik an der Tsinghua-Universität, berichten in der Zeitschrift Briefe zur körperlichen Überprüfung dass durch die Anwendung der Physik des kosmologischen Colliders und die Verwendung von Präzisionsdaten zur Messung der Struktur unseres Universums aus bevorstehenden Experimenten wie SPHEREx und der 21-cm-Linientomographie das Geheimnis des kosmischen Ursprungs der Materie gelüftet werden kann.

„Die Tatsache, dass unser heutiges Universum von Materie dominiert wird, gehört nach wie vor zu den verwirrendsten, langjährigen Rätseln der modernen Physik“, sagte Cui. „Ein subtiles Ungleichgewicht oder eine Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im frühen Universum ist erforderlich, um die heutige Dominanz der Materie zu erreichen, kann aber im bekannten Rahmen der Grundlagenphysik nicht realisiert werden.“

Leptogenese zur Rettung

Cui und Xianyu schlagen vor, die Leptogenese zu testen, einen bekannten Mechanismus, der den Ursprung der Asymmetrie des Baryons – sichtbares Gas und Sterne – in unserem Universum erklärt. Hätte das Universum mit gleichen Mengen an Materie und Antimaterie begonnen, hätten sie sich gegenseitig in Photonenstrahlung vernichtet und nichts übrig gelassen. Da Materie Antimaterie heute weit übersteigt, ist Asymmetrie erforderlich, um das Ungleichgewicht zu erklären.

„Die Leptogenese gehört zu den überzeugendsten Mechanismen, die die Materie-Antimaterie-Asymmetrie erzeugen“, sagte Cui. „Dabei handelt es sich um ein neues Elementarteilchen, das rechtshändige Neutrino. Es wurde jedoch lange angenommen, dass das Testen der Leptogenese nahezu unmöglich ist, da die Masse des rechtshändigen Neutrinos typischerweise viele Größenordnungen außerhalb der Reichweite der höchsten Energie liegt Collider, der je gebaut wurde, der Large Hadron Collider.“

Die neue Arbeit schlägt vor, die Leptogenese zu testen, indem die detaillierten statistischen Eigenschaften der räumlichen Verteilung von Objekten in der heute beobachteten kosmischen Struktur entschlüsselt werden, was an die mikroskopische Physik während der kosmischen Inflation erinnert. Der kosmologische Collider-Effekt, argumentieren die Forscher, ermöglicht die Produktion des superschweren rechtshändigen Neutrinos während der Inflationsepoche.

„Konkret zeigen wir, dass wesentliche Bedingungen für die Asymmetrieerzeugung, einschließlich der Wechselwirkungen und Massen des rechtshändigen Neutrinos, das hier der Schlüsselspieler ist, deutliche Fingerabdrücke in der Statistik der räumlichen Verteilung von Galaxien oder des kosmischen Mikrowellenhintergrunds hinterlassen können kann genau gemessen werden“, sagte Cui. „Die astrophysikalischen Beobachtungen, die in den kommenden Jahren erwartet werden, können möglicherweise solche Signale erkennen und den kosmischen Ursprung der Materie enträtseln.“