Gravitationswellen können zur Erklärung der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie beitragen

Menschen, Erde oder Sterne sind entstanden, weil in der ersten Sekunde der Existenz des Universums mehr Materie als Antimaterie produziert wurde. Diese Asymmetrie war äußerst gering. Auf je 10 Milliarden Teilchen Antimaterie kommen 10 Milliarden + 1 Teilchen Materie. Dieses minimale Ungleichgewicht führte zur Entstehung des materiellen Universums, ein Phänomen, das die moderne Physik nicht erklären kann.

Denn aus der Theorie folgt, dass genau die gleiche Anzahl von Materie- und Antimaterieteilchen entstanden sein müsste. Eine Gruppe theoretischer Physiker hat festgestellt, dass es nicht auszuschließen ist, dass wir in der Lage sind, nicht-optische Solitonen - Q-Balls - zu entdecken, und dass ihre Entdeckung es uns ermöglichen würde, die Frage zu beantworten, warum nach dem Urknall mehr Materie als Antimaterie entstand.

Gegenwärtig gehen die Physiker davon aus, dass die Asymmetrie von Materie und Antimaterie in der ersten Sekunde nach dem Urknall entstanden ist und dass das entstehende Universum in dieser Zeit rasch an Größe zunahm. Die Überprüfung der Theorie der kosmologischen Inflation ist jedoch äußerst schwierig. Um sie zu testen, müssten wir riesige Teilchenbeschleuniger einsetzen und ihnen mehr Energie zuführen, als wir erzeugen können.

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Ein amerikanisch-japanisches Wissenschaftlerteam, dem auch Spezialisten des japanischen Kavli-Instituts für Physik und Mathematik des Universums (Kavli IPMU) und der Universität von Kalifornien, Los Angeles (UCLA) angehören, ist jedoch der Ansicht, dass nicht-topologische Q-Ball-Solitonen zur Überprüfung der Theorie verwendet werden können. Denn eine der Theorien über das Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie besagt, dass es durch einen komplexen Prozess namens Affleck-Dine-Baryogenese entstanden ist. In seinem Verlauf sollten die Q-Bälle erscheinen.

Professor Graham White, Hauptautor der Studie vom Kavli IPMU, erklärt, was ein Q-Ball ist. Er sagt, es sei ein Boson, wie das Higgs-Boson. Das Higgs-Boson erscheint, wenn das Higgs-Feld angeregt wird. Aber auch andere Elemente können im Higgs-Feld auftauchen, wie etwa Klumpen. Wenn wir ein Feld haben, das dem Higgs-Feld sehr ähnlich ist und eine bestimmte Ladung hat, keine elektrische Ladung, aber eine Art von Ladung, dann hat dieser Klumpen eine Ladung wie ein Teilchen. Da die Ladung nicht einfach verschwinden kann, muss das gesamte Feld "entscheiden", ob es Klumpen oder Teilchen erzeugt. Wenn es weniger Energie erfordert, Klumpen zu bilden, werden Klumpen gebildet. Die Klumpen, die sich zusammenfügen, bilden einen Q-Ball, sagt er.

Wir sagen oft, dass solche Q-Bälle eine Zeit lang existieren. Wenn sich das Universum ausdehnt, schwinden sie langsamer als die Hintergrundstrahlung, so dass sich schließlich der größte Teil der Energie des Universums in Q-Bällen konzentriert. In der Zwischenzeit gibt es kleine Fluktuationen in der Strahlungsdichte, die sich dort konzentrieren, wo die Q-Kugeln dominieren. Und wenn ein Q-Ball kollabiert, ist dies ein so heftiges Phänomen, das Gravitationswellen entstehen.

Wir könnten sie in den kommenden Jahrzehnten entdecken. Das Schöne an der Suche nach Gravitationswellen ist, dass das Universum für sie völlig transparent ist, so dass sie zu seinem Ursprung reisen können, sagt White.

Theoretikern zufolge haben die von den verschwindenden Q-Bällen erzeugten Wellen die richtigen Eigenschaften, um von Standard-Gravitationswellendetektoren erfasst zu werden.