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„Warum gibt es etwas und nicht nichts?“ – Forscher liefern bahnbrechenden Beweis für physikalisches Paradoxon

Die Physik war offenbar nicht immer das, was sie heute ist. Das geht aus einer neu veröffentlichten Studie hervor.

Nebelschwaden in verschiedenen Farben
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Jedes grundlegende Teilchen besitzt in der Theorie ein entsprechendes Antiteilchen. Bei einem Zusammentreffen von Materie und Antimaterie kommt es zur Annihilation. Die Existenz von Planeten, Sternen und ähnlichem deutet daher darauf hin, dass es mehr Materie als Antimaterie gibt. Die Wissenschaft ist schon lange von diesem Phänomen fasziniert und rätselt darüber, da sie von einer symmetrischen Physik ausgeht. Es ist möglich, dass die Antwort auf dieses Rätsel in den Ursprüngen des Universums verborgen liegt.

Physik: Materie vs. Antimaterie

Irgendwann zwischen dem Urknall und der Entstehung erster Atome muss es einen Punkt gegeben haben, an dem sich die Funktionsweise unseres Universums maßgeblich verändert hat. Dieser Zeitpunkt hatte derartige Auswirkungen, dass er die Parität, ein grundlegendes Konzept der Physik, aus dem Lot brachte – oder überhaupt erst erschuf. Denn eben sie bezeichnet die Symmetrie, die ein physikalisches System (Materie) gegenüber einer räumlichen Spiegelung (Antimaterie) hat.

„Ich habe mich schon immer für die großen Fragen des Universums interessiert“, erklärte Zachary Slepian, Professor der Astronomie an der University of Florida (UF), jüngst gegenüber Phys.Org. „Was ist der Anfang des Universums? Nach welchen Regeln entwickelt es sich? Warum gibt es etwas und nicht nichts?“ Mit diesen großen Fragen befasst sich auch eine neue Studie, die Slepian und sein Team in den Monthly Notices of the Royal Astronomicsl Society veröffentlichten.

Im Rahmen ihrer Untersuchungen wollen die Forschenden erstmals einen Beweis für die Paritätsverletzung gefunden haben, die das Universum, in dem wir heute leben, erst ermöglicht hat. Denn: Hätte es diese Störung nicht gegeben, würden heute weder sichtbare noch Antimaterie existieren. Es gebe keine Erde, keine Sonne, keine Milchstraße – nichts, das greifbar oder auch nur vorstellbar wäre. Und es gebe auch niemanden, der es sich vorstellen könnte.

Studie verlangte „eine neue Mathematik“

„Der Nachweis einer kosmologischen Paritätsverletzung würde bisher unbekannte Kräfte widerspiegeln, die in den frühesten Momenten des Universums vorhanden waren“, schreibt das Team. Neben Slepian besteht es aus der UF-Postdoktorandin und Erstautorin der Studie, Jiamin Hou, sowie dem Physiker Robert Cahn vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien.

Die Idee des Trios sah vor, bestimmte Vierergruppen von Galaxien genauer ins Auge zu fassen, um eine Paritätsverletzung zu belegen. Diese Methode hatten sie selbst erarbeitet und erst Ende 2021 im Rahmen einer vorangegangenen Studie in den Physical Review Letters veröffentlicht. Sie erforderte die Analyse von einer Billion imaginärer Tetraeder für jede einzelne von einer Million Galaxien. „Schließlich wurde uns klar, dass wir eine neue Mathematik brauchten“, so Slepian. Immerhin standen sie damit einer Zahl von einer Trillion (1018) möglichen Kombinationen gegenüber.

Das Team entwickelte ausgefeilte Formeln, um ihre gewaltigen Berechnungen binnen eines angemessenen Zeitraums durchführen zu können. Nun brauchten sie nur noch eines: jede Menge Rechenleistung. Die einzigartige Technologie der UF, die wir hier mit dem HiPerGator-Supercomputer haben, ermöglichte es uns, die Analyse tausende Male mit verschiedenen Einstellungen durchzuführen, um unser Ergebnis zu testen“, erinnert sich der Professor.

„Schlagender Beweis für die Inflation“

Schon im Rahmen seiner Vorarbeit prognostizierte das Trio: „Insgesamt würde der Nachweis eines paritätsverletzenden Signals in [einer großräumigen 3D-Struktur] die Physik des frühen Universums erhellen und vielleicht sogar physikalische Prozesse jenseits des Standardmodells aufdecken.“ Und genau das haben die Forschenden nun erreicht. Mittels ihrer Vier-Punkte-Korrelationsfunktion (4PCF) haben sie einen möglichen Beweis für die Paritätsverletzung geliefert.

Sollte sich die Analyse des Teams mittels Messungen belegen lassen, würde das die Wissenschaft einen großen Schritt näher an die Antworten auf einige grundlegende Fragen unseres Universums und der Physik bringen. Dennoch zeigen sich Hou, Slepian und Cahn bislang nicht über alle Zweifel erhaben. Es ist möglich, dass Unsicherheiten in den zugrunde liegenden Messungen die Asymmetrie erklären könnten – möglich, aber nicht sehr wahrscheinlich.

Slepian zufolge bringt der Beleg des Teams für die Paritätsverletzung zudem noch eine weitere interessante Antwort mit sich. Denn da sie „dem Universum nur während der Inflation aufgeprägt werden kann, ist das, was wir gefunden haben, ein schlagender Beweis für die Inflation“. Dabei handelt es sich um eine Phase direkt nach dem Urknall, in der sich das Universum extrem rasch ausgedehnt haben soll.

Quellen: Phys.Org; „Measurement of parity-odd modes in the large-scale 4-point correlation function of Sloan Digital Sky Survey Baryon Oscillation Spectroscopic Survey twelfth data release CMASS and LOWZ galaxies Get access Arrow“ (Monthly Notices of the Royal Astronomicsl Society, 2023); „Test for Cosmological Parity Violation Using the 3D Distribution of Galaxies“ (Physical Review Letters, 2023)

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