Mysterium der Dunklen Materie GELÖST? Das in der Zeit rückwärts laufende Spiegeluniversum könnte den Schlüssel | enthalten Wissenschaft | Nachrichten

Physiker haben festgestellt, dass die Naturgesetze dazu neigen, drei grundlegenden Symmetrien zu folgen, der von Ladung, Parität und Zeit, die zusammen als CPT-Symmetrie bekannt sind. Theoretisch bedeutet dies, dass Sie, wenn Sie die Wechselwirkungen zwischen beliebigen Teilchen berücksichtigen würden, die Ladungen umkehren könnten (z. B. Materie gegen Antimaterie tauschen); jedes Teilchen, jede Wechselwirkung und jeden Zerfall durch sein Spiegelbild ersetzen (eine sogenannte Paritätstransformation); oder die Interaktion zeitlich rückwärts statt vorwärts laufen lassen – und es würde sich immer noch gleich verhalten. In Wirklichkeit sind die Dinge jedoch etwas komplizierter, da manchmal einzelne Symmetrien nicht eingehalten werden, was Physiker eine „Verletzung“ nennen.

Wenn wir zum Beispiel Neutrinos nehmen – subatomare Teilchen, die Elektronen ähneln, aber keine elektrische Ladung und eine minimale Masse haben – wird angenommen, dass sie sich relativ zu ihrer Flugrichtung immer im Uhrzeigersinn drehen.

Physiker nennen das „Linkshänder“; Wenn Sie Ihre Hand so ausstrecken, dass Ihr Daumen zu Ihnen zeigt und Ihre Finger gebeugt sind, werden Sie sehen, dass sich Ihre Finger im Uhrzeigersinn um die Daumenachse krümmen.

Da alle bekannten Neutrinos linkshändig sind, können Sie keine Paritätstransformation an ihnen durchführen, da das Spiegelbild ein rechtshändiges Neutrino wäre, das nicht zu existieren scheint.

Da Antineutrinos immer rechtshändig sind, können Sie an einem Neutrino keine Ladungstransformation durchführen, da Sie am Ende ein linkshändiges Antineutrino erhalten müssten.

Während einzelne Symmetrien verletzt wurden, hat kein System jemals alle drei Teile der CPT-Symmetrie gleichzeitig verletzt – sie scheint grundlegend zu sein.

In ihrer Studie schlagen Dr. Latham Boyle und seine Kollegen vom Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Kanada, vor, den Anwendungsbereich der CPT-Symmetrie zu erweitern.

Sie machten sich daran, zu untersuchen, ob es nicht nur für grundlegende Wechselwirkungen innerhalb des Universums gelten könnte, sondern auch für das Universum selbst.

Laut dem Trio war der Ausgangspunkt für dieses Gedankenexperiment „eine einfache Beobachtung“ – dass in der heißen, strahlungsdominierten Ära des frühen Universums, die weniger als eine Minute nach dem Urknall begann, die Mathematik das Hintergrunduniversum beschreibt Zeitumkehrsymmetrie.

Sie fügten hinzu: „Wir interpretieren dies als Hinweis darauf, dass der Zustand des Universums (dh die Raumzeit selbst sowie der Quantenzustand der Quantenfeldtheorie in dieser Raumzeit) tatsächlich die CPT-Symmetrie respektieren könnte.“

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Der Kosmos, wie wir ihn kennen, entwickelt sich zeitlich vorwärts. Damit die CPT-Symmetrie auf das Universum angewendet werden kann, liegt es nahe, dass unser Verständnis des Universums nur die Hälfte des Bildes sein kann – es muss ein anderes Universum geben, das auf der anderen Seite des Urknalls liegt, eines, in dem die Zeit läuft die andere Richtung.

In diesem „Spiegel“-Universum hätten alle Teilchen die entgegengesetzte Ladung zu den Gegenstücken des Uruniversums, würden im Spiegel wie umgedreht erscheinen und aus unserer Perspektive „rückwärts“ in der Zeit laufen.

Während sowohl unser als auch das Spiegeluniversum allein die CPT-Symmetrie verletzen, würden sie ihr gehorchen, wenn sie als Paar zusammengenommen würden.

Das Team sagte: „Das Universum vor dem Knall und das Universum nach dem Knall können als ein Universum/Anti-Universum-Paar betrachtet werden, das direkt in die heiße, von Strahlung dominierte Ära eintaucht, die wir in unserer Vergangenheit beobachten.“

Die Betrachtung unseres bekannten Kosmos als Teil eines Universum/Anti-Universum-Paares hat einige interessante Auswirkungen auf unser Verständnis der Physik.

Zunächst einmal würde sich ein CPT respektierendes Universum natürlich ausdehnen und sich mit Teilchen füllen, erklärten die Forscher.

Dies erübrigt die sogenannte „Inflationsepoche“, in der sich das Universum kurz nach dem Urknall für den Bruchteil einer Sekunde schnell ausdehnte und sein Volumen um den Faktor einer Trezillion – oder „1“ gefolgt von 78 Nullen – vergrößerte.

Obwohl es viele Hinweise darauf gibt, dass ein inflationäres Ereignis stattgefunden hat, haben die Modelle dafür alle inhärente Unwägbarkeiten – und andere Interpretationen könnten immer noch brauchbar sein.

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Gleichzeitig müsste ein Universum, das CPT respektiert, eine masselose Neutrino-Art sowie mindestens eine rechtshändige Neutrino-Art haben – die, wie bereits erwähnt, noch nie beobachtet wurden.

Und wenn sie tatsächlich existieren, wären rechtshändige Neutrinos, so glauben Physiker, reichlich vorhanden, aber weitgehend nicht nachweisbar und würden nur über die Schwerkraft mit anderen Teilchen interagieren.

Dies macht rechtshändige Neutrinos zu einem faszinierenden Kandidaten für „dunkle Materie“, die mysteriöse Komponente des Universums, deren Existenz – und Gravitationseinfluss – benötigt wird, um die Bewegung von Sternen in Galaxien vollständig zu erklären.

Physiker haben geschätzt, dass etwa 27 Prozent des Universums aus dunkler Materie bestehen könnten.

Anders als in der Star-Trek-Franchise, wo der Zugang zum Spiegeluniversum – und seine Verbreitung finster aussehender Ziegenbärte – nur eine Transporterfehlfunktion entfernt ist, werden wir wahrscheinlich nie in der Lage sein, unser Anti-Universum-Gegenstück zu besuchen oder sogar direkt zu messen.

Die Forscher erklärten jedoch, dass es Möglichkeiten gibt, auf die Existenz eines realen Spiegeluniversums zu schließen, indem wir die Eigenschaften unseres eigenen Kosmos untersuchen.

Wenn unser Universum zum Beispiel einen Zwilling hat, dann sollten wir eines Tages entdecken, dass alle derzeit bekannten Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind – und, wie oben erwähnt, dass eine Neutrino-Spezies völlig masselos ist.

Schließlich würde das Zwillingsuniversum-Modell bedeuten, dass die Raumzeit niemals durch Inflation erschüttert wurde, was bedeutet, dass sich die anhaltende Suche nach primordialen Gravitationswellen – wie sie vom BICEP-Experiment am Südpol durchgeführt wird – als erfolglos erweisen würde.

Ein Vorabdruck des Forschungsartikels, der zur Veröffentlichung in der Zeitschrift Annals of Physics angenommen, aber noch nicht begutachtet wurde, kann im arXiv-Repository gelesen werden.