Entdeckung wirft Licht auf den Ursprung der Materie im frühen Universum

Das frühe Universum war 250.000 Mal heißer als der Kern unserer Sonne. Es ist viel zu heiß, um die Protonen und Neutronen zu bilden, aus denen die alltägliche Materie besteht. Wissenschaftler stellen in Teilchenbeschleunigern die Bedingungen im frühen Universum nach, indem sie Atome mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen lassen.

Durch die Messung des resultierenden Teilchenschauers können Wissenschaftler verstehen, wie Materie entstanden ist. Die von Wissenschaftlern gemessenen Teilchen können auf unterschiedliche Weise entstehen: aus der anfänglichen Suppe aus Quarks und Gluonen oder durch Folgereaktionen.

Diese Folgereaktionen begannen 0,000001 Sekunden nach dem Urknall, als zusammengesetzte Teilchen aus Quarks begannen, miteinander zu interagieren.

Eine neue Berechnung ergab, dass bis zu 70 % der gemessenen Teilchen aus diesen späteren Reaktionen stammen und nicht aus Reaktionen, die denen im frühen Universum ähneln. Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Physik-Buchstaben B.

Diese Entdeckung verbessert das wissenschaftliche Verständnis über den Ursprung der Materie. Damit lässt sich bestimmen, wie viel der Materie um uns herum in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall entstanden ist, verglichen mit der Menge an Materie, die durch Folgereaktionen während der Expansion des Universums entstanden ist.

Dieses Ergebnis impliziert, dass sich große Mengen an Materie um uns herum später als erwartet gebildet haben. Um die Ergebnisse von Collider-Experimenten zu verstehen, müssen Wissenschaftler die in Folgereaktionen gebildeten Teilchen ignorieren.

Nur diejenigen, die in der subatomaren Suppe entstehen, offenbaren die primitiven Bedingungen des Universums. Diese neue Berechnung zeigt, dass die Anzahl der gemessenen Partikel, die bei Reaktionen entstehen, viel höher ist als erwartet.

In den 1990er Jahren erkannten Physiker, dass bestimmte Teilchen in erheblicher Zahl durch Folgereaktionen nach der Anfangsphase der Entstehung des Universums entstehen. Teilchen namens D-Mesonen können interagieren und ein seltenes Teilchen, Charmonium, bilden.

Wissenschaftler sind sich über die Bedeutung dieses Effekts nicht einig. Da Charmonium selten vorkommt, ist es schwierig zu messen. Neuere Experimente liefern jedoch Daten über die Menge der von Collidern erzeugten Charmonium- und D-Mesonen.

Physiker der Yale University und der Duke University berechneten anhand der neuen Daten die Stärke dieses Effekts. Es stellt sich heraus, dass es viel größer ist als erwartet. Über 70 % des gemessenen Charmoniums konnten bei Reaktionen gebildet werden.

Beim Abkühlen dehnt sich die heiße Suppe aus subatomaren Teilchen aus und bildet einen Feuerball. All dies geschieht in weniger als einem Hundertstel der Zeit, die Licht benötigt, um ein Atom zu durchdringen. Da diese Zeit so schnell ist, wissen Wissenschaftler nicht genau, wie sich der Feuerball ausdehnt.

Die neuen Berechnungen zeigen, dass Wissenschaftler die Details dieser Erweiterung nicht unbedingt kennen müssen. Bei Kollisionen entsteht ohnehin eine erhebliche Menge Charmonium. Dieses neue Ergebnis bringt Wissenschaftler dem Verständnis des Ursprungs der Materie näher.