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Ein übersehenes Teilchen könnte erklären, warum wir existieren
Warum das Universum heute fast nur Materie und kaum Antimaterie enthält, ist weiterhin ungeklärt. Eine neue theoretische Studie zeigt nun, dass ein bislang vernachlässigtes schweres Neutrino die Ausdehnung des jungen Kosmos verändert haben könnte. Dadurch wären auch wichtige Teilchenreaktionen unter anderen Bedingungen abgelaufen als bislang angenommen.
Southampton (England). Materie und Antimaterie sollten im frühen Universum in nahezu gleichen Mengen entstanden sein. Treffen Teilchen und ihre Antiteilchen aufeinander, können sie sich gegenseitig vernichten. Dass dennoch genug gewöhnliche Materie für Sterne, Planeten und Lebewesen übrig blieb, erfordert daher einen Mechanismus, der ein kleines Ungleichgewicht zwischen beiden entstehen ließ.
Eine mögliche Erklärung liefert die sogenannte Leptogenese. Dabei könnten Zerfälle schwerer, bislang hypothetischer Neutrinos zunächst mehr Leptonen als Antileptonen erzeugt haben. Weitere Reaktionen hätten einen Teil dieses Unterschieds auf die Bausteine gewöhnlicher Materie übertragen. Wie diese Vorgänge unter den tatsächlichen Bedingungen des jungen Kosmos abliefen, ist jedoch offen.
Forscher der University of Southampton um Dr. Rishav Roshan haben nun gemeinsam mit einem Kollegen ein bislang wenig beachtetes Element dieses Szenarios untersucht. In ihrem theoretischen Modell kommen drei schwere rechtshändige Neutrinos vor, die auch zur Erklärung der winzigen Massen gewöhnlicher Neutrinos dienen könnten. Das dritte dieser Teilchen ist besonders schwach an andere Teilchen gekoppelt und wurde deshalb in vielen Berechnungen vernachlässigt.
Genau diese schwache Kopplung könnte dem dritten schweren Neutrino eine ungewöhnlich lange Lebensdauer verleihen. Unter den angenommenen Anfangsbedingungen wäre es nach dem Urknall zunächst in großer Zahl vorhanden gewesen. Beim Abkühlen des Universums hätte sich seine Energie dann immer stärker gegenüber der Strahlung durchgesetzt, weil sich die beiden Energieanteile während der Expansion unterschiedlich entwickeln.
„Allerdings zerfällt es unglaublich langsam“, erklärt Dr. Rishav Roshan.
In den Rechnungen entsteht dadurch zeitweise eine Phase, in der die Energie des schweren Neutrinos die kosmische Entwicklung dominiert. Diese sogenannte Materiedominanz bezeichnet hier die Energiedichte eines hypothetischen Teilchens. Sie ist nicht gleichbedeutend mit dem späteren Überschuss gewöhnlicher Materie gegenüber Antimaterie. Sobald das schwere Neutrino zerfällt, gewinnt die Strahlung wieder die Oberhand.
Eine veränderte Ausdehnungsgeschwindigkeit hat Folgen für die Wechselwirkungen anderer Teilchen. Denn ob eine Reaktion im frühen Universum ein thermisches Gleichgewicht erreicht, hängt davon ab, wie schnell sie im Vergleich zur kosmischen Expansion abläuft. Die Forscher untersuchten dies für Prozesse, an denen geladene Leptonen wie Elektronen oder ihre schwereren Verwandten und das Higgs-Feld beteiligt sind.
Im üblichen, von Strahlung beherrschten Szenario erreichen die untersuchten Reaktionen mit Tau-Leptonen bei einer bestimmten Temperatur das Gleichgewicht. In einer Beispielrechnung mit dem langlebigen Neutrino liegt diese Schwelle etwa siebenmal niedriger. Die als Energie angegebenen Temperaturwerte verschieben sich dabei von 5 × 10¹¹ auf 7 × 10¹⁰ Gigaelektronenvolt. Es handelt sich um Modellwerte, nicht um gemessene Temperaturen des frühen Universums.
„Diese Temperatur wirkt als Schalter für das Entstehen des Materie-Antimaterie-Ungleichgewichts“, erläutert Roshan.