Jenseits des Urknalls: Unser Universum könnte einen „umgekehrten“ Zwilling haben – einen vor dem Urknall liegenden Kosmos, in dem alle Ladungen, Interaktionen und die Zeit gespiegelt sind. Diese jetzt von Physikern aufgestellte Theorie klingt exotisch, könnte aber einige offene Fragen der Kosmologie und Teilchenphysik klären, darunter die Dunkle Materie, die „fehlende „Antimaterie und das Rätsel der linkshändigen Neutrinos.
Den meisten Theorien zufolge war der Urknall der Anfang von Allem, doch genau dies wirft einige Fragen auf. So erklärt er nicht, warum in unserem Universum Materie über Antimaterie dominiert, warum Materie und Strahlung unerklärlich gleichmäßig verteilt sind und nicht zuletzt, was den Urknall ausgelöst haben könnte. Schon länger gibt es daher Physiker, die von einem zyklischen Universum oder einer Art Universum vor unserem Universum ausgehen.
Ist der Kosmos als Ganzes CPT-symmetrisch?
Neue Argumente für einen solchen „Big Bounce“ liefern nun Physiker des Perimeter Institute für Theoretical Physics in Kanada um Neil Turok. Sie haben untersucht was passieren würde, wenn man die nach dem Standardmodell für Teilchen und Kräfte geltenden Symmetrieregeln auf den Kosmos als Ganzes ausweiten würde. Diese Regeln zufolge sind alle Interaktionen und Partikel in Bezug auf Ladung, Zeit und Parität – räumliche Konfiguration und Wechselwirkungen – symmetrisch.
Konkret bedeutet dies, dass für jedes Teilchen ein Gegenstück existiert, das ihm wie ein Spiegelbild gleicht. Eine Wechselwirkung dieses Teilchens würde auch bei rückwärts laufender Zeit wie gespiegelt ablaufen. Doch was wäre, wenn diese sogenannte CPT-Symmetrie auch für unser gesamtes Universum und seine Entwicklung seit dem Urknall gelten würde? Statt nur der Kräfte und Teilchen in unserem Kosmos könnte dann auch die Raumzeit selbst gespiegelt werden.
Urknall als Grenze zwischen zwei Spiegeluniversen
Wäre das der Fall, dann hätte dies eine entscheidende Konsequenz: „Das Universum vor dem Urknall und das danach könnten dann als ein Paar aus Universum und Anti-Universum gesehen werden“, erklären Turok und sein Team. Der Urknall wäre dann nicht nur der Anfang unseres Kosmos, sondern gleichzeitig der des gespiegelten Gegenstücks – einer Art Zwillingsuniversum mit umgekehrten Vorzeiten und rückwärtslaufender Zeit.
Beide Zwillingsuniversen zusammen würden dann alle Regeln der CPT-Symmetrie erfüllen – was unser Universum alleine nicht tut. Gleichzeitig könnte dies einige der Ungereimtheiten und offenen Fragen der gängigen kosmologischen Modelle klären: „Wir denken, dass dieses Szenario ein ansprechendes und sehr ökonomisches neues Bild zeichnet, das eine ganze Reihe von Schlüsselmerkmalen unseres Universums erklären könnte“, konstatieren die Physiker.
Erklärung für Antimaterie-Mangel und Gleichheitsproblem
Ein Beispiel dafür: Bisher ist völlig unklar, warum in unserem Universum die Materie über die Antimaterie dominiert, denn beim Urknall müssten beide zu exakt gleichen Teilen entstanden sein. Gibt es jedoch ein Spiegeluniversum, balanciert sich dieser eklatante Symmetriebruch aus: „Während das Universum nach dem Urknall einen leichten Überschuss an Materie hatte, gab es im Universum vor dem Urknall einen leichten Überschuss an Antimaterie“, so Turok und seine Kollegen. Dies stellt die übergeordnete Symmetrie wieder her.
Die Existenz eines Spiegel-Universums könnte auch die Frage klären, wie unser Kosmos so schnell so groß und gleichmäßig werden konnte. Bisher versucht man dies mit der kosmischen Inflation zu erklären, einem hypothetischen, überlichtschnellen Expansionsschub des Universums noch während des Urknalls. Wenn es diesen Schub jedoch gab, dann müsste er eigentlich Turbulenzen der Raumzeit versursacht haben, die in der kosmischen Hintergrundstrahlung und als primordiale Gravitationswellen Spuren hinterlassen hätten.
Bisher jedoch konnten Astronomen trotz intensiver Suche keine solche Inflations-Relikte nachweisen. Doch wenn der Urknall nur eine Art Umschlagspunkt zwischen den beiden Spiegeluniversen gewesen wäre, dann bräuchte man die Inflation nicht, wie Turok und seine Kollegen darlegen. Stattdessen würden die physikalischen Prozesse bei diesem Übergang die Erklärung liefern. „Einige Aspekte wie die einfache Struktur und der Inhalt des frühen Universums könnte durch die CPT-Symmetrie erklärt werden“, so die Physiker.
Lösung für das Spin-Problem der Neutrinos
Ein weiterer Punkt: Bisher ist unklar, warum es in unserem Kosmos nur „linkshändige“ Neutrinos zu geben scheint. Bei allen anderen Elementarteilchen kommen bezogen auf den Spin rechts- und linksdrehende Varianten vor. Bei den drei bekannten Neutrinosorten dreht der Spin jedoch in Bezug auf ihre Bewegungsrichtung immer nur linksherum. Wenn nun das Universum selbst CPT-symmetrisch ist, dann müsste es auch rechtshändige Neutrinos geben.
Wie die Physiker berichten, ist dies auch der Fall. Ihren Berechnungen zufolge müsste in einem CPT-symmetrischen Universum auch drei Sorten rechtshändiger Neutrinos entstanden sein. Diese wären schwerer als schon bekannte Formen und nur eines davon wäre stabil genug, um bis heute vorhanden zu sein. „Die bloße Tatsache, dass das Universum in einem CPT-invarianten Zustand ist, bedingt, dass dieses Neutrino eine nicht bei null liegende Häufigkeit haben muss“, erklären die Physiker.
Rechtshändiges Neutrino als Dunkle Materie-Teilchen?
Das Interessante daran: Die Prozesse, die dieses schwere rechtshändige Neutrino stabilisieren, machen es gleichzeitig für unsere Detektoren unsichtbar. Es dürfte nur über die Gravitation mit normaler Materie wechselwirken. Damit jedoch zeigt dieses hypothetische Neutrino genau die Merkmale, die dem lange gesuchten Teilchen der Dunklen Materie zugeschrieben werden. Tatsächlich gibt es einige Hypothesen, nach denen dieses Teilchen ein „steriles“ Neutrino sein könnte.
„Eines der drei rechtshändigen Neutrinos wird damit zu einem guten Kandidaten für die Dunkle Materie“, konstatieren Turok und seine Kollegen. Ihren Berechnungen zufolge könnte ein solches Neutrino die Dichte der Dunklen Materie erklären, wenn seine Masse bei 4,8 x 108 Gigaelektronenvolt liegen würde. Allerdings: Zurzeit halten die meisten Astrophysiker ein so schweres Teilchen der Dunklen Materie für eher unwahrscheinlich. Favorisiert wird stattdessen ein Dunkle-Materie-Teilchen, das leichter als die bekannten Neutrinos ist.
Wie könnte man das Spiegeluniversum nachweisen?
Noch ist die Idee vom Spiegeluniversum nur eine physikalische Theorie – und ein direkter Nachweis dieses für uns unerreichbaren Zwillingskosmos unmöglich. Doch Turok und seine Kollegen benennen zumindest einige experimentell nachweisbare Indizien, die für ein CPT-symmetrisches Universum sprechen könnten: Wenn sich eines der bisher bekannten Neutrinos als masselos herausstellt, wäre dies ihren Angaben zufolge ein Hinweis, ebenso, wenn sich Neutrinos als Majorana-Teilchen erweisen würden – als Teilchen, die ihre eigenen Anti-Teilchen sind.
Ein weiterer Fingerzeig könnte es sein, wenn trotz optimierter Suche weiterhin keine primordialen Gravitationswellen nachgewiesen werden, wie die Physiker erklären. Sie wollen nun ihr Modell eines CPT-symmetrischen Universums weiter ausformulieren und ein noch klareres Bild darüber gewinnen, welche Konsequenzen dies für unsere Kosmologie hätte. (Preprint, 2022; arXiv:1803.08930)
Quelle: American Physical Society, arXiV
