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

Wenn man auf die Weiten 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 wird noch schlimmer, wenn man die physikalischen Gesetze betrachtet, die unser Universum regieren, die scheinbar völlig symmetrisch zwischen Materie und Antimaterie sind. Doch wenn wir uns ansehen, was da draußen ist, stellen wir fest, dass alle Sterne und Galaxien, die wir sehen, zu 100 % aus Materie bestehen und kaum Antimaterie vorhanden ist. Offensichtlich existieren wir, ebenso wie die Sterne und Galaxien, die wir sehen, also muss etwas mehr Materie als Antimaterie geschaffen haben, was das Universum, das wir kennen, möglich gemacht hat. Aber wie ist das passiert? Es ist eines der größten Rätsel des Universums, aber eines, das wir näher denn je an der Lösung sind.

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

1. Jede Wechselwirkung zwischen Teilchen, die wir jemals beobachtet haben, bei allen Energien, hat niemals ein einziges Materieteilchen erzeugt oder zerstört, ohne auch eine gleiche Anzahl von Antimaterieteilchen zu erzeugen oder zu zerstören.
2. Wenn wir auf das Universum schauen, auf all die Sterne, Galaxien, Gaswolken, Cluster, Supercluster 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 herzustellen. Auf der anderen Seite ist alles, was wir sehen, definitiv aus Materie und nicht aus Antimaterie gemacht. Hier ist, woher wir das wissen.

Wann immer und wo immer sich Antimaterie und Materie im Universum treffen, gibt es einen fantastischen Energieausbruch aufgrund der Teilchen-Antiteilchen-Vernichtung. Wir beobachten diese Annihilation tatsächlich an einigen Orten, aber nur in der Nähe von hyperenergetischen Quellen, die Materie und Antimaterie in gleichen Mengen produzieren, wie 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 an Antimaterie-Teilchen herumfliegen, da diese Materie/Antimaterie-Signatur auftauchen würde.

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

So irgendwie, auch wenn wir nicht ganz sicher sind, wie, mussten wir in der Vergangenheit des Universums mehr Materie als Antimaterie geschaffen haben. Was noch verwirrender dadurch wird, dass die Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie in Bezug auf die Teilchenphysik noch deutlicher ist, als man denken könnte. Ein Beispiel:

• Jedes Mal, wenn wir ein Quark erzeugen, erzeugen wir auch ein Antiquark,
• Jedes Mal, wenn ein Quark zerstört wird, wird auch ein Antiquark zerstört,
• Jedes Mal, wenn wir ein Lepton erzeugen oder zerstören, erzeugen oder zerstören wir auch ein Antilepton aus derselben Leptonenfamilie, und
• jedes Mal, wenn ein Quark oder ein Lepton eine Wechselwirkung, eine Kollision oder einen Zerfall erfährt, ist die gesamte Nettoanzahl von Quarks und Leptonen am Ende der Reaktion (Quarks minus Antiquarks, Leptonen minus Antileptonen) am Ende die gleiche wie am Anfang.

Der einzige Weg, wie wir jemals mehr (oder weniger) Materie im Universum erzeugt haben, war, auch mehr (oder weniger) Antimaterie in gleicher Menge zu erzeugen.

Aber wir wissen, dass es möglich sein muss; die Frage ist nur, wie es passiert ist. In den späten 1960er Jahren identifizierte der Physiker Andrei 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 System außerhalb des Gleichgewichts 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 außerhalb des Gleichgewichts. 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 der schwachen Wechselwirkung verletzt werden.

Damit bleibt die Frage, wie man die Baryonenzahl verletzen 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 ist es nur die Differenz zwischen Baryonen und Leptonen, B – L, die erhalten bleibt. 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 durchaus, dass gleiche Mengen an Materie und Antimaterie existieren, mit sehr hohen Geschwindigkeiten und Energien.

Wenn sich das Universum ausdehnt und abkühlt, werden instabile Teilchen, die einmal in großer Menge entstanden sind, zerfallen. 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 führende Möglichkeiten, wie dieser Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie entstanden sein könnte:

• Neue Physik auf der elektroschwachen Skala könnte die Menge der C- und CP-Verletzung im Universum stark erhöhen, was zu einer Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie führt. Sphaleron-Wechselwirkungen, die B und L individuell verletzen (aber B – L konservieren), 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 gewaltigen 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, wo 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 durch das letzte gehen, nur als Beispiel, um zu sehen, was passiert sein könnte.

Wenn die große Vereinheitlichung wahr ist, dann müsste es neue, superschwere Teilchen geben, die X und Y genannt werden und sowohl baryonen- als auch leptonähnliche Eigenschaften besitzen. 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 späteren Zeiten.

So kann Ihr Universum mit ihnen gefüllt werden, und dann zerfallen sie. Wenn Sie aber eine C- und CP-Verletzung haben, dann ist es möglich, dass es leichte Unterschiede gibt, wie die Teilchen und Antiteilchen (X/Y vs. anti-X/anti-Y) zerfallen.

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. Beachten Sie, dass das X in beiden Fällen B – L von zwei Dritteln hat, während das Anti-X negative zwei Drittel hat. Ähnlich verhält es sich mit den Y/Anti-Y-Teilchen. Aber es gibt einen wichtigen Unterschied, der bei der C- und CP-Verletzung erlaubt 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 diese auf diese erlaubte Weise zerfallen, kann man leicht einen Überschuss an Baryonen gegenüber Antibaryonen (und Leptonen gegenüber Anti-Leptonen) erzeugen, wo es vorher keinen gab.

Mit anderen Worten: Man kann mit einem völlig symmetrischen Universum beginnen, einem, das allen bekannten Gesetzen der Physik gehorcht und das spontan Materie und Antimaterie nur in gleichen und entgegengesetzten Paaren erzeugt, und am Ende mit einem Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie enden. 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) enthält und nicht nichts (aus einer gleichen Mischung von Materie und Antimaterie), ist eine, die eine Antwort haben muss. In diesem Jahrhundert könnten Fortschritte in der elektroschwachen Präzisionsforschung, in der Collider-Technologie und in Experimenten, die die Teilchenphysik jenseits des Standardmodells erforschen, genau aufdecken, wie es dazu kam. Und wenn dies geschieht, wird eines der größten Rätsel der gesamten Existenz endlich eine Lösung haben.