Warum unser Universum mit mehr Materie wirbelt als sein bizarres Gegenstück Antimaterie - und warum wir überhaupt existieren - ist eines der verwirrendsten Rätsel der modernen Physik.
Irgendwie, als das Universum unglaublich jung war, verschwand fast die gesamte Antimaterie und hinterließ nur das normale Zeug. Theoretiker haben die immer schwer fassbare Erklärung lange verfolgt - und vor allem eine Möglichkeit, diese Erklärung mit Experimenten zu testen.
Nun hat ein Trio von Theoretikern vorgeschlagen, dass ein Trio von Teilchen, die Higgs-Bosonen genannt werden, für den mysteriösen Verschwinden der Antimaterie im Universum verantwortlich sein könnte. Und sie glauben zu wissen, wie sie die mutmaßlichen Schuldigen finden können.
Der Fall der fehlenden Antimaterie
Bei fast jeder einzelnen Wechselwirkung zwischen subatomaren Partikeln werden Antimaterie (die mit normaler Materie identisch ist, jedoch eine entgegengesetzte Ladung aufweist) und normale Materie gleichermaßen erzeugt. Es scheint eine grundlegende Symmetrie des Universums zu sein. Und doch sehen wir, wenn wir dasselbe Universum betrachten, kaum Antimaterie. Soweit die Physiker sagen können, gibt es für jedes noch herumhängende Antimaterieteilchen im gesamten Kosmos etwa eine Milliarde Teilchen normaler Materie.
Dieses Rätsel trägt viele Namen, wie das Problem der Materieasymmetrie und das Problem der Baryonenasymmetrie; Unabhängig vom Namen hat es Physiker verblüfft. Bisher war niemand in der Lage, eine kohärente, konsistente Erklärung für die Dominanz der Materie gegenüber der Antimaterie zu liefern, und da es die Aufgabe der Physiker ist, die Funktionsweise der Natur zu erklären, wird es langsam irritierend.
Die Natur hat jedoch einige Hinweise hinterlassen, über die wir rätseln konnten. Zum Beispiel gibt es im sogenannten kosmischen Mikrowellenhintergrund keine Hinweise auf viel Antimaterie - Wärme, die vom Urknall, der Geburt des Universums, übrig geblieben ist. Das deutet darauf hin, dass die Kapern im sehr frühen Universum aufgetreten sind. Und das frühe Universum war ein ziemlich verrückter Ort mit allerlei komplizierter, schlecht verstandener Physik. Wenn sich also Materie und Antimaterie spalten, ist dies ein guter Zeitpunkt, dies zu tun.
Beschuldige die Higgs
Tatsächlich ist die beste Zeit für das Verschwinden der Antimaterie während der kurzen, aber turbulenten Epoche in unserem Universum, als sich die Naturkräfte beim Abkühlen des Kosmos aufspalteten.
Bei hohen Energien (wie in einem Teilchenkollider) kombinieren die elektromagnetische Kraft und die schwache Kernkraft ihre Kräfte, um eine neue Kraft zu bilden: elektroschwach. Sobald sich die Dinge abkühlen und zu normalen alltäglichen Energien zurückkehren, teilt sich die Elektroschwäche jedoch in die bekannten zwei Kräfte auf.
Bei noch höheren Energien, wie sie in den ersten Augenblicken des Urknalls zu finden waren, glauben wir, dass die starke Atomkraft mit der Elektroschwäche verschmilzt, und bei noch höheren Energien verbindet die Schwerkraft die Partei zu einer einzigen einheitlichen Kraft. Aber wir haben noch nicht ganz herausgefunden, wie die Schwerkraft ins Spiel kommt.
Das Higgs-Boson, das in den 1960er Jahren existieren sollte, aber erst 2012 im Large Hadron Collider entdeckt wurde, trennt die elektromagnetische Kraft von der schwachen Kernkraft. Die Physiker sind sich ziemlich sicher, dass die Spaltung von Materie und Antimaterie stattgefunden hat, bevor alle vier Naturkräfte als ihre eigenen Einheiten zusammengekommen sind. Das liegt daran, dass wir ein ziemlich klares Verständnis der Physik des Universums nach der Teilung haben und das Hinzufügen von zu viel Antimaterie in späteren Epochen gegen Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds verstößt.
Als solches spielt vielleicht das Higgs-Boson eine Rolle.
Aber die Higgs allein können es nicht schneiden; Es ist kein Mechanismus bekannt, der nur die Higgs verwendet, um ein Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie zu verursachen.
Zum Glück ist die Geschichte der Higgs möglicherweise nicht zu Ende. Physiker haben in Kolliderversuchen ein einzelnes Higgs-Boson mit einer Masse von etwa 125 Milliarden Elektronenvolt oder GeV gefunden - als Referenz wiegt ein Proton etwa 1 GeV.
Es stellt sich heraus, dass die Higgs möglicherweise nicht allein sind.
Es ist durchaus möglich, dass mehr Higgs-Bosonen herumschweben, die massiver sind als das, was wir derzeit in unseren Experimenten feststellen können. Heutzutage würden diese kräftigeren Higgs, wenn sie existieren, nicht viel tun und nicht wirklich an irgendeiner Physik teilnehmen, auf die wir mit unseren Collidern zugreifen können - wir haben einfach nicht genug Energie, um sie zu "aktivieren". Aber in den frühen Tagen des Universums, als die Energien viel, viel höher waren, könnten die anderen Higgs aktiviert worden sein, und diese Higgs könnten ein Ungleichgewicht in bestimmten grundlegenden Teilchenwechselwirkungen verursacht haben, was zu der modernen Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie führte.
Das Rätsel lösen
In einem kürzlich im Preprint-Journal arXiv online veröffentlichten Artikel schlugen drei Physiker eine interessante mögliche Lösung vor: Vielleicht spielten drei Higgs-Bosonen (genannt "Higgs-Troika") im frühen Universum eine Partie heißer Kartoffeln und erzeugten eine Flut normaler Materie . Wenn Materie Antimaterie berührt - Poof - vernichten sich die beiden und verschwinden.
Und so würde der größte Teil dieses Materiestroms die Antimaterie vernichten und sie in einer Strahlungsflut fast vollständig aus der Existenz bringen. In diesem Szenario würde genug normale Materie übrig bleiben, um zum heutigen Universum zu führen, das wir kennen und lieben.
Um diese Arbeit zu machen, schlagen die Theoretiker vor, dass das Trio das eine bekannte Higgs-Teilchen und zwei Neulinge umfasst, wobei jedes dieser Duos eine Masse von etwa 1.000 GeV hat. Diese Zahl ist rein willkürlich, wurde jedoch speziell ausgewählt, um dieses hypothetische Higgs mit der nächsten Generation von Partikelkollidern potenziell auffindbar zu machen. Es hat keinen Sinn, die Existenz eines Partikels vorherzusagen, das niemals erkannt werden kann.
Die Physiker haben dann eine Herausforderung. Welcher Mechanismus auch immer die Asymmetrie verursacht, muss der Materie einen Vorteil gegenüber der Antimaterie um den Faktor einer Milliarde zu eins geben. Und es hat im frühen Universum ein sehr kurzes Zeitfenster, um seine Sache zu tun; Sobald sich die Kräfte teilen, ist das Spiel vorbei und die Physik, wie wir sie kennen, ist fixiert. Und dieser Mechanismus, einschließlich der beiden neuen Higgs, muss testbar sein.
Die kurze Antwort: Sie haben es geschafft. Es ist verständlicherweise ein sehr komplizierter Prozess, aber die übergreifende (und theoretische) Geschichte sieht folgendermaßen aus: Die beiden neuen Higgs zerfallen in Partikelschauer mit leicht unterschiedlichen Raten und mit leicht unterschiedlichen Präferenzen für Materie gegenüber Antimaterie. Diese Unterschiede bauen sich im Laufe der Zeit auf, und wenn sich die elektroschwache Kraft aufteilt, gibt es genug Unterschiede in den im Universum "eingebauten" Materie-Antimaterie-Partikelpopulationen, so dass normale Materie letztendlich die Antimaterie dominiert.
Sicher, dies löst das Problem der Baryonenasymmetrie, führt aber sofort zu der Frage, was die Natur mit so vielen Higgs-Bosonen macht. Aber wir werden Schritt für Schritt vorgehen.
