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Lösen Gravitationswellen das Antimaterie-Rätsel?

Raumzeit-Rippel könnten "Rettungs-Mechanismus" des frühen Kosmos verraten

Gravitationswellen
Eine exotische Sorte von Neutrinos könnte erklären, warum es heute mehr Materie als Antimaterie im Universum gibt. © koto_feja/ iStock

Primordiale Wellen: Spezielle Neutrinos könnten den frühen Kosmos vor der Auslöschung gerettet haben. Denn ihre asymmetrischen Zerfälle verschafften der Materie die Übermacht über die Antimaterie, wie ein Modell nahelegt. Das Spannende daran: Wenn es diese Neutrinozerfälle gab, müssten sie Spuren in Form von speziellen Gravitationswellen hinterlassen haben – und diese könnten schon in naher Zukunft nachweisbar werden.

Eigentlich dürfte das Universum gar nicht existieren. Denn beim Urknall entstand gleich viel Materie wie Antimaterie und deshalb müssten sich beide gegenseitig ausgelöscht haben. Stattdessen überlebte der Kosmos und die Materie in ihm dominiert. Eine mögliche Erklärung dafür wären winzige Unterschiede im Verhalten von Teilchen und ihren Antiteilchen. Doch bisher haben Forscher eine solche Asymmetrie weder bei der Kernkraft, noch im Spektrum, dem Magnetverhalten oder dem Masse-Ladungs-Verhältnis gefunden. Einzig beim Zerfallsverhalten einiger Teilchen gibt es Hinweise auf eine Verletzung der sogenannten CP-Invarianz.

thermische Leptogenese
Kurz nach dem Urknall könnte der asymmetrische Zerfall schwerer Neutrinos zur Bildung kosmischer Strings – einer Art Defekten der Raumzeit – geführt haben. Diese wiederum verursachten die Bildung von Gravitationswellen. Falls diese existieren, könnten sie künftig nachweisbar sein. © Kavli IPMU

Schwere Neutrinos als Zünglein an der Waage?

Doch es gäbe noch eine zweite mögliche Erklärung für die Dominanz der Materie: Die Neutrinos sind schuld. Von diesen fast masselosen, kaum mit Materie wechselwirkenden Teilchen existieren gängiger Theorie nach drei Sorten, die sich spontan ineinander umwandeln können. Doch einige Messdaten von Teilchenbeschleunigern deuten darauf hin, dass es vielleicht noch eine vierte Neutrino-Sorte gibt. Diese sterilen Neutrinos könnten ein massereiches, „rechtsdrehendes“ Gegenstück zu den drei bekannten Neutrino-Sorten mit minimaler Masse und linksdrehendem Spin bilden.

Das Spannende daran: Diese schweren Neutrinos könnten nach dem Urknall der Materie zur Dominanz verholfen haben. „Als das Universum Billionen Mal heißer war als der heißeste Ort im heutigen Kosmos, verhielten sich die Neutrinos wahrscheinlich so, dass dies das Überleben des Kosmos sicherte“, erklärt Koautor Graham White vom TRIUMF-Forschungszentrum in Vancouver.

Demnach zerfielen die sterilen Neutrinos und ihre Antiteilchen unter diesen extremen Bedingungen nicht in gleichem Maße. Stattdessen gab es eine leichte Bevorzugung des Neutrinozerfalls in Materieteilchen. Dieses geringe Ungleichgewicht könnte ausgereicht haben, damit die Materie im frühen Kosmos die Oberhand erlangte.

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Defekte in der Raumzeit

Das Problem jedoch: Bisher gab es keine Möglichkeit, diesen sogenannten Seesaw-Mechanismus zu überprüfen. Doch wie White und seine Kollegen nun ermittelt haben, könnte sich dies schon in naher Zukunft ändern. Denn ihrem Modell zufolge müssten die schweren Neutrinozerfälle nachweisbare Spuren im Kosmos hinterlassen haben. Demnach erzeugten die asymmetrischen Zerfälle zunächst winzige topologische Defekte in der Raumzeit, die die Forscher als kosmische Strings bezeichnen.

Als sich dann das Universum in der kosmischen Inflation explosionsartig ausdehnte, erzeugten diese Raumzeit-Defekte eine spezielle Art von Gravitationswellen. „Die Gravitationswellen aus den kosmischen Strings haben ein Spektrum, das sich deutlich von dem astrophysikalischer Quellen wie verschmelzenden Schwarzen Löchern unterscheidet“, berichtet Koautor Kazunori Kohri von der Universität Tokio.

Seesaw-Gravitationswellen bald nachweisbar?

Das Spannende daran: Bisherige Detektoren sind zwar noch nicht sensibel genug, um diese Gravitationswellen aus dem frühen Kosmos einzufangen. Das aber könnte sich schon in wenigen Jahren ändern, wie die Wissenschaftler ermittelt haben. Demnach könnten schon ab Mitte 2020 die gekoppelten Radioteleskope des Square Kilometer Array indirekte Signaturen dieser primordialen Gravitationswellen detektieren. Ab 2034 könnten die Satelliten des Laser Interferometer Space Antenna (LISA) diese Gravitationswellen direkt detektieren.

„Die Entdeckung der Gravitationswellen eröffnet uns ganz neue Möglichkeiten, zurück in eine Zeit zu schauen, als das Universum noch ganz am Anfang stand“, sagt White. Denn für elektromagnetische Signale wurde das Universum erst rund 380.000 Jahre nach dem Urknall transparent. Gravitationswellen jedoch konnten sich schon damals im All ausbreiten. (Physical Review Letters, 2020; doi: 10.1103/PhysRevLett.124.041804)

Quelle: Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, The University of Tokyo

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