Es ist eine Frage, die die Menschheit seit Jahrtausenden umtreibt, und nun haben zwei Forscher der University of Southampton und des Indian Institute of Technology Kanpur eine Antwort vorgeschlagen, die ein Teilchen involviert, das Physiker jahrzehntelang höflich ignoriert haben: ein 'entkoppeltes' schweres Neutrino. Die in Physical Review Letters veröffentlichte Theorie legt nahe, dass dieser übersehene Verwandte des Neutrinos der entscheidende Faktor dafür gewesen sein könnte, warum Materie den Urknall überlebte und Antimaterie nicht.
Das Problem ist ebenso einfach wie existenziell alarmierend: Das frühe Universum produzierte Materie und Antimaterie in nahezu gleichen Mengen. Wenn die beiden aufeinandertreffen, vernichten sie sich gegenseitig in einem Energiestoß. Wären die Mengen perfekt ausgeglichen gewesen, wäre praktisch die gesamte Materie verschwunden – keine Sterne, keine Planeten und – was wichtiger ist – niemand, der über die Abwesenheit von Sternen und Planeten nachdenken könnte.
Herein tritt das entkoppelte schwere Neutrino, ein hypothetischer schwererer Vetter des gewöhnlichen Neutrinos – eines Teilchens, das bereits dafür berühmt ist, extrem leicht zu sein und selten mit gewöhnlicher Materie zu wechselwirken. Die 'entkoppelte' Variante wurde allgemein als zu schwach mit anderen Teilchen verbunden angesehen, um irgendetwas von Bedeutung zu beeinflussen. Jahrzehntelang war es das teilchenphysikalische Äquivalent eines Statisten.
Doch den neuen Berechnungen zufolge ändert seine ungewöhnlich lange Lebensdauer die Rechnung. Das Teilchen könnte lange genug überlebt haben, um vorübergehend die Energiedichte des Universums zu dominieren, als der Kosmos nach dem Urknall abkühlte, und eine materiedominierte Periode ausgelöst haben, die die Entwicklung des frühen Universums veränderte.
Dr. Rishav Roshan von der University of Southampton, ein Autor der Studie, drückte es klar aus: „Dieses entkoppelte schwere Neutrino wurde lange als irrelevant für den Hintergrund der Teilchenphysik abgetan. Allerdings zerfällt es unglaublich langsam. Als der Kosmos nach dem Urknall abkühlte, lebte das Teilchen lange genug, dass es vorübergehend die Energiedichte des Universums übernahm und eine materiedominierte Periode auslöste.“
Frühere Versuche, die Materie-Antimaterie-Asymmetrie zu erklären, ließen dieses Teilchen in der Regel völlig außen vor, mit der vernünftig klingenden Begründung, dass etwas, das so schwach wechselwirkt, kaum Einfluss auf die Prozesse haben könne, die für die Entstehung des Ungleichgewichts verantwortlich sind. Die neue Forschung stellt diese Annahme in Frage und kommt zu dem Ergebnis, dass selbst ein Teilchen mit extrem schwachen Wechselwirkungen indirekt die Bedingungen beeinflussen könnte, unter denen die Materie ihren entscheidenden Vorteil erlangte.
„Die Tatsache, dass wir überhaupt hier sind, beweist, dass eine Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie aufgetreten ist“, fügte Roshan hinzu. „Das entkoppelte Neutrino verschob die Temperatur im frühen Universum, bei der fundamentale Teilchen – wie Elektronen und andere Leptonen – mit ihren Antiteilchen mithilfe des Standardmodell-Higgs-Bosons wechselwirkten. Diese Temperatur wirkt wie ein Schalter, der gestaltet, wie das Materie-Antimaterie-Ungleichgewicht aufgebaut wurde.“
Das Higgs-Boson ist, für diejenigen, die mitzählen, das fundamentale Teilchen, das mit dem Mechanismus verbunden ist, der vielen Elementarteilchen ihre Masse verleiht. Im Szenario der Forscher veränderte das schwere Neutrino die Temperaturbedingungen, die die entscheidenden Teilchenwechselwirkungen mit dem Higgs regelten, und verschob effektiv den Zeitpunkt dieser Wechselwirkungen und beeinflusste, wie sich das Ungleichgewicht entwickelte. Mit anderen Worten: Etwas, das lange als unbedeutend abgeschrieben wurde, könnte dazu beigetragen haben, zu bestimmen, warum das Universum überhaupt Materie enthält.
Die Theorie hat auch Auswirkungen darauf, wie sich das Universum in seinen frühesten Phasen ausdehnte. Der Mitautor der Studie, Dr. Sudipta Show vom Indian Institute of Technology Kanpur, sagte, die Ergebnisse legten nahe, dass das vergessene Teilchen die Expansionsgeschichte des jungen Kosmos dramatisch verändert haben könnte. „Es bietet uns eine neue Erklärung dafür, wie die Materie gewann“, sagte er. „Die dramatische Verschiebung in der frühen Expansion des Kosmos hinterlässt deutliche, aber nachweisbare Spuren von Veränderungen, zum Beispiel bei primordialen Gravitationswellen. Diese Gravitationswellensignaturen eröffnen uns neue Wege, um zu entschlüsseln“