De strijd tussen materie en antimaterie werd 14 miljard jaar geleden uitgevochten en materie won. Hoe kwam dit en waarom is er niet meer antimaterie aangetroffen in het heelal? Een groot internationaal team van theoretisch natuurkundigen verbonden aan het Japanse Kavli Instituut (IPMU) heeft een nieuwe theorie voorgesteld, welke deze imbalans tussen materie en antimaterie mogelijk zou kunnen verklaren en ook hoe men hier direct bewijs van zou kunnen vinden. Het wetenschappelijk artikel is getiteld; ‘Testing the Seesaw Mechanism and Leptogenesis with Gravitational Waves’ door Jeff A. Dror, Hitoshi Murayama e.v.a. en verscheen in januari j.l. in Physical Review Letters. *
Tijdlijn vanaf de oerknal, via faseovergang, naar creatie kosmische snaren, naar de CMB, tot nu. Credits; R. Hurt/Caltech-JPL, NASA, ESA, Kavli IPMU
Anti-materie
Miljarden jaren geleden, kort na de oerknal, rekte de kosmische inflatie de kleine kiem van ons universum uit en transformeerde energie in materie. Natuurkundigen denken dat inflatie aanvankelijk dezelfde hoeveelheid materie en antimaterie heeft gecreëerd, die elkaar bij contact vernietigden. Maar toen gebeurde er iets waardoor materie de overhand kreeg en waardoor alles wat we kunnen zien en aanraken tot stand kon komen, sterren, de aarde, wijzelf.
Antimaterie daarentegen lijkt zeer zeldzaam en wordt bijvoorbeeld gevormd tijdens een krachtige zonnevlam, of verder weg als sterren opgeslokt worden door zwarte gaten. We kunnen deze zeldzaamheid gelukkig prijzen, antimaterie vernietigt alle materie waar het mee in aanraking komt in een explosieve uitbarsting van alle ingesloten energie, met als resultaat dat wij er niet zouden zijn. Antimaterie is echt anti-materie.
Ons eigen bestaan suggereert dat antimaterie op de een of andere manier in materie veranderd moet zijn. Het probleem is dat materie en antimaterie, behept met tegengestelde elektrische ladingen niet zomaar van ’team’ kunnen wisselen. Alle (anti)materie behalve de neutrino. Deze subatomaire, elementaire deeltjes zijn de enige bekende fundamentele deeltjes die een neutrale elektrische lading bezitten (net als een foton of Z-boson, maar i.t.t. deze bosonen is de neutrino een fermion, het bezit iets massa**). Aangezien het tegenovergestelde van nul nog steeds nul is, kunnen neutrino’s hun eigen antideeltjes zijn. Dat betekent dat neutrino’s van ’team’ hadden kunnen wisselen, met een beetje hulp van het universum dat een faseovergang onderging.
Het team zegt hierover: “Een theorie is dat het heelal ongeveer een miljoen jaar na de oerknal afkoelde en een faseovergang onderging, een gebeurtenis die lijkt op hoe kokend water vloeistof in gas verandert. Wanneer een bepaald metaal wordt gekoeld tot een lage temperatuur, verliest het de elektrische weerstand volledig door een faseovergang en wordt het een supergeleider. Net als bij een supergeleider, heeft dit proces in het vroege heelal mogelijk zeer fijne snaarvormige structuren van magnetische velden gecreëerd. Deze zouden zich door het heelal dringen, als scheuren in ijs zodra water bevriest. Deze structuren zouden in potentie neutrino’s hebben kunnen aansporen hun elektrische ladingen te wisselen – maar tot nu toe is er voor deze structuren nooit direct bewijs gevonden. Dit kan zijn omdat ze zich verder terug in de tijd verbergen dan we kunnen zien.”
Maar Dror en zijn team hebben via theoretische modellen en berekeningen een manier bedacht waarop we deze faseovergang zouden kunnen zien. Het team realiseerde zich dat deze kosmische snaren hoogstwaarschijnlijk rimpelingen in de ruimtetijd zouden veroorzaken: zwaartekrachtgolven. Detecteer deze golven en men kan ontdekken of de theorie waar is. Deze gravitatieafdrukken zouden veel kleiner zijn dan degene die nu gevonden worden bij LIGO en andere detectoren, maar ze zien er ook anders uit, waardoor wetenschappers ze van elkaar zouden moeten kunnen onderscheiden.
Maar toen het team deze hypothetische faseovergang modelleerde onder verschillende temperatuuromstandigheden die tijdens deze faseovergang hadden kunnen optreden, deden ze een bemoedigende ontdekking: in alle gevallen zouden deze kosmische structuren zwaartekrachtsgolven creëren die door toekomstige observatoria, zoals de European Space Agency’s Laser Interferometer Space Antenna (LISA), de Big Bang Observer en het Deci-hertz Interferometer Gravitational Wave Observatory (DECIGO) van het Japanse ruimtevaartagentschap JAXA, gedetecteerd moeten kunnen worden. Bronnen: New Atlas / Kavli IPMU / ScientificAmerican
*https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.041804
**F. Close’s boek ‘Antimatter’, Oxford University Press, 2009, hfdst. 7, vat ’the story of the neutrino’ (Close noemt de neutrino de ‘prime suspect voor de imbalans) en de centrale rol die het speelt in de mogelijke verklaring van onze door materie gedomineerd universum kort samen, blz. 121: “Neutrinos have a tiny mass. It is in trying to understand why neutrinos have such trifling (uiterst weinig) masses, that some radical ideas have emerged. A theory is that there are very massive majorana neutrinos awaiting discovery, known as majorons. If they died out the universe now contains their progeny. according to theory they could radiate energy in the form of a ‘Higgs boson’ and turn into a neutrino or an antineutrino. It could do this to any of the three flavors of neutrino, or antineutrino, and there is no reason why it should decay to neutrinos and antineutrinos equally. The progeny of the majorons have made a lopsided (scheef) universe where a handful of excess quarks remain for every ten billion quarks and antiquarks that have disappeared. These survivors cool to form the universe dominated by matter, in which protons are stable (at least on the timescale of 14 billion years) and matter as we know it exists.”
Gerelateerde Astroblogs:
Fysici poneren gedurfde hypothese over detectie buitenaards leven; Gebruikt ETI mogelijk kunstmatige zwarte gaten als quantumcomputers?
Onderzoekers stellen dat de uitdijing van ons universum mogelijk het gevolg is van het versmelten met ‘baby-universums’
Astronomen stellen een ‘spiegeluniversum’ voor als mogelijke verklaring voor donkere materie