Physiker erklären, warum Materie Antimaterie besiegt hat

Nach dem kosmologischen Standardmodell sollten nach dem Urknall Materie und Antimaterie in gleichen Mengen entstanden sein und sich gegenseitig vernichtet haben, so dass nur Strahlung übrig blieb. Doch in Wirklichkeit dominiert die Materie das Universum - und der Grund dafür ist immer noch unbekannt.

Eine neue theoretische Studie japanischer Wissenschaftler der Universität Hiroshima bietet eine originelle Erklärung für diese Asymmetrie: Die Schlüsselrolle könnten die so genannten "kosmischen Knoten" spielen - energetisch stabile Formationen, die im frühen Universum entstanden sind.

Wie die Universität Hiroshima berichtet, hat das Team um Professor Muneto Nitta zum ersten Mal gezeigt, dass solche Knoten in realistischen physikalischen Modellen entstehen können, die auch die Neutrinomasse und die Natur der dunklen Materie erklären und das so genannte starke CP-Problem lösen - eine der seltsamsten Diskrepanzen zwischen Theorie und Experiment.

Die Forscher kombinierten zwei wichtige Symmetrien: die B-L-Symmetrie (Baryonenzahl minus Leptonenzahl) und die Pecchi-Quinn-Symmetrie, die mit dem hypothetischen Axionteilchen zusammenhängt. Zusammen erlauben sie uns, das Auftreten von energetischen Strukturen im frühen Universum vorherzusagen - magnetische Ströme und Wirbel, die sich zu stabilen Knoten verweben können.

Während der Phasenübergänge nach dem Urknall, als Symmetrien "gebrochen" wurden und sich die Struktur des Universums schnell veränderte, konnten genau solche Konfigurationen - sogenannte Knoten-Solitonen - entstehen. Diese "Energieknäuel" dominierten vorübergehend die Energiedichte und verdrängten die Strahlung.

Später, so vermuten die Wissenschaftler, "entwirrten" sich die Knoten durch Quanten-Tunneln - ein Prozess, bei dem Teilchen Energiebarrieren passieren, ohne sie klassischerweise zu überwinden. Als die Knoten zerfielen, bildeten sich schwere rechtshändige Neutrinos, die bereits mit einer leichten Neigung zur Materie zerfielen. Dieser asymmetrische Prozess könnte zu dem bekannten Übergewicht von Materie gegenüber Antimaterie führen.

Berechnungen zufolge lag die Temperatur nach dem "Auflösen" der Knoten bei etwa 100 Gigaelektronenvolt - genau zu dem Zeitpunkt, als das Universum noch über Reaktionen verfügte, die in der Lage waren, die Neutrino-Asymmetrie in baryonische, d.h. Materie zu "übersetzen".

Diese Knoten könnten auch einzigartige Spuren in Form von Gravitationswellen hinterlassen - "Hintergrundfluktuationen" der Raumzeit, die in Zukunft von Observatorien wie LISA, DECIGO und Cosmic Explorer entdeckt werden könnten.

"Unser Modell zeigt zum ersten Mal, dass Knoten, über die Lord Kelvin bereits im 19. Jahrhundert spekulierte, eine echte physikalische Rolle bei der Entstehung von Materie spielen können", sagt Nitta.

Die Studie ist in Physical Review Letters unter dem Titel Tying Knots in Particle Physics (2025) veröffentlicht.

Die Wissenschaftler hoffen, dass es in den kommenden Jahren möglich sein wird, nicht nur die theoretischen Modelle zu verbessern, sondern auch beobachtbare Anzeichen dafür zu finden, dass das Universum tatsächlich eine knotendominierte Epoche durchlaufen hat.