Kosmische Knoten: Könnte eine vergessene Idee erklären, warum es Materie gibt?

    Einer alten Vorstellung aus dem 19. Jahrhundert zufolge besteht unsere Materie aus kleinen unsichtbaren Knoten. Japanische und deutsche Wissenschaftler haben den Gedanken nun aufgegriffen, um zu erklären, warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt.

    Kosmische Knoten, die aus miteinander verflochtenen Symmetrien entstanden sind, könnten eine kurze Ära bestimmt haben, in der die Grundlage für das heutige, von Materie dominierte Universum geschaffen wurde.
    Kosmische Knoten, die aus miteinander verflochtenen Symmetrien entstanden sind, könnten eine kurze Ära bestimmt haben, in der die Grundlage für das heutige, von Materie dominierte Universum geschaffen wurde. Bild: AI/ScienceDaily

    Im Jahr 1867 stellte sich Lord Kelvin die Atome als winzige Knoten in einem unsichtbaren Äther vor – das Konzept galt bald als überholt. Neue Arbeiten japanischer und deutscher Forscher zeigen nun jedoch, dass verflochtene Strukturen tatsächlich die frühesten Momente des Universums mitbestimmt haben könnten.

    „Die Studie beschäftigt sich mit einem der fundamentalsten Rätsel der Physik: warum unser Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht. Diese Frage ist entscheidend, weil sie direkt berührt, warum Sterne, Galaxien und wir selbst überhaupt existieren.“

    – Muneto Nitta, Professor an der Hiroshima University, korrespondierender Autor der Studie

    Nach den neuen Berechnungen bildeten sich kurz nach dem Urknall stabile kosmische Knoten, die eine kurze, aber prägende Ära dominiert haben könnten. Die exotischen Gebilde könnten am Ende sogar die Erklärung dafür sein, wie es zu einem winzigen Überschuss an Materie kam. Die Studie wurde in den Physical Review Letters veröffentlicht.

    Ein altbekanntes Dilemma

    Nach dem Standardmodell der Kosmologie müssten Materie und Antimaterie im frühen Universum in nahezu gleichen Mengen entstanden sein. Treffen beide Formen aufeinander, vernichten sie sich vollständig. Dass dennoch ein winziger Bruchteil der Materie überlebt hat – ungefähr ein Materieteilchen von einer Milliarde Materie-Antimaterie-Paare –, stellt seit Jahrzehnten eines der größten ungelösten Probleme der Teilchenphysik dar.

    Das Modell deutet auf eine kurze knotendominierte Ära zu Beginn des Universums hin, in der die verflochtenen Energiefelder alles andere überwiegten.
    Das Modell deutet auf eine kurze knotendominierte Ära zu Beginn des Universums hin, in der die verflochtenen Energiefelder alles andere überwiegten. Bild: Muneto Nitta/Hiroshima University

    Die Forschergruppe, der neben Nitta auch Minoru Eto von der Hiroshima University und Yamagata University sowie Yu Hamada vom Deutschen Elektronen-Synchrotron angehörten, hat nun ein Modell vorgeschlagen, das diesen Widerspruch beseitigen könnte. Die Forschenden sagen, dass die Knoten durch zwei mächtige Symmetrien erzeugt wurden, nämlich durch die B-L-Symmetrie (Baryon minus Lepton) und die PQ-Symmetrie (Peccei-Quinn).

    Mathematische Symmetrien funktionieren wie Spielregeln der Natur, die besagen, dass sich trotz der Gegensätze die Naturgesetze gleich verhalten (z. B. links – rechts, vorwärts – rückwärts, Materie – Antimaterie).

    Beide Symmetrien bringen zusätzliche Teilchen und Felder mit ein, darunter das hypothetische Axion, einen aussichtsreichen Kandidaten für dunkle Materie, sowie schwere rechtshändige Neutrinos, die lange als mögliche Quelle des Materieüberschusses diskutiert wurden.

    Knoten im frühen Universum

    Im jungen Universum könnten sich Defekte gebildet haben, ähnlich dünnen Fäden im Gefüge der Raumzeit. Diese kosmischen Strings verknüpften sich dann zu komplexen Strukturen, in denen magnetische Flusstuben (flux tubes) aus der B-L-Symmetrie und superfluide Wirbel der PQ-Symmetrie miteinander verschmolzen. Durch die Verschaltung entstand ein langlebiges, topologisch verriegeltes Objekt, sozusagen ein kosmischer Knoten.

    „Niemand hatte diese beiden Symmetrien gemeinsam untersucht. Das war ein Glücksfall. Durch die Kombination wurde ein stabiler Knoten sichtbar.“

    – Muneto Nitta, Professor an der Hiroshima University, korrespondierender Autor der Studie

    Bei der Expansion des frühen Universums verhielten sich die Knoten dann anders als Strahlung: Während Lichtenergie mit zunehmender Ausdehnung stark verdünnt wurde, blieb die Energiedichte der Knoten vergleichsweise hoch. Für kurze Zeit dominierten sie daher die Entwicklung des Kosmos. Doch der Zustand war nicht von Dauer – durch das sogenannte Quantentunneln lösten sich die Knoten schließlich auf.

    3D-Darstellungen numerischer Lösungen für die Knoten. Der Schlüssel zur Frage, warum das Universum existiert, könnte in einer Idee aus dem 19. Jahrhundert liegen, die die Wissenschaft einst verworfen hatte.
    3D-Darstellungen numerischer Lösungen für die Knoten. Der Schlüssel zur Frage, warum das Universum existiert, könnte in einer Idee aus dem 19. Jahrhundert liegen, die die Wissenschaft einst verworfen hatte. Bild: Muneto Nitta/Hiroshima University

    Der Kollaps setzte enorme Energiemengen frei und erzeugte dabei die entscheidenden Teilchen – schwere rechtshändige Neutrinos. „Im Grunde entsteht eine Art Teilchenschauer, darunter die rechtshändigen Neutrinos“, erklärt Hamada. „Ihre Zerfälle können ganz natürlich die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie erzeugen.“

    In gewissem Sinne sind sie die Eltern aller heutigen Materie, während die Knoten unsere Großeltern sind.

    Das Modell trifft konkrete, künftig messbare Vorhersagen. Die Forscher errechneten, dass die durch den Knotenzerfall freigesetzte Energie den Kosmos auf rund 100 Milliarden Elektronenvolt aufheizte – genau die Schwelle, unterhalb derer Prozesse, die Materie aus Neutrino-Ungleichgewichten erzeugen, zum Erliegen kommen. Zudem müsste eine charakteristische Signatur im Gravitationswellenspektrum hinterlassen worden sein.

    Die Vision Kelvins, dass Knoten Bausteine der Materie sein könnten, war physikalisch falsch – aber vielleicht nur formal falsch. Wenn die neuen Berechnungen stimmen, könnten kosmische Knoten tatsächlich den Ursprung der Materie erklären. Und womöglich liefert das Universum in naher Zukunft den entscheidenden Beweis.

    Quellenhinweis:

    Eto, M., Hamada, Y., & Nitta, M. (2025): Tying Knots in Particle Physics. Physical Review Letters, 135, 9.