Hyperladungsbrechungsszenarien könnten die Baryonasymmetrie des Universums erklären

21. Februar 2025

Dieser Artikel wurde gemäß dem redaktionellen Prozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Redakteure haben die folgenden Merkmale hervorgehoben, während sie die Glaubwürdigkeit des Inhalts sicherten:

faktengestützt

peer-reviewed Veröffentlichung

vertrauenswürdige Quelle

korrekturgelesen

von Ingrid Fadelli, Phys.org

Das Standardmodell (SM), der Hauptphysikrahmen zur Beschreibung elementarer Teilchen und der sie antreibenden Kräfte, umreißt wichtige Muster in physikalischen Wechselwirkungen, die als Eichsymmetrien bezeichnet werden. Eine der von ihm beschriebenen Symmetrien ist die sogenannte U(1)Y-Hyperladung: eine Eichsymmetrie, die zum elektrischen Ladung von Teilchen beiträgt, bevor elektromagnetische und schwache Kräfte unterschieden werden (d.h., vor dem elektroschwachen Phasenübergang).

Forscher des Theoretischen Physik-Departments (DFT) der Universidad Autónoma de Madrid und des Instituto de Física Teórica (IFT) führten kürzlich eine Studie durch, um zu untersuchen, wie die Bedingungen, die im frühen Universum vorlagen, das spontane Brechen dieser Eichsymmetrie auslösen könnten, wobei dieses Phänomen mit bestimmten Modellen zur Neutrinomassegenerierung verbunden wurde, die als radiative Neutrinomasse-Modelle bekannt sind. Ihr Papier, veröffentlicht in Physical Review Letters, baut speziell auf einem theoretischen Rahmen namens Zee-Babu-Modell auf, einer Erweiterung des SM, das die Generierung der Neutrinomasse erklärt.

"Im SM wurde die spontan gebrochene elektroschwache Eichsymmetrie, die die elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkungen der Natur regelt, in den ersten Momenten des Universums wiederhergestellt, als die Temperatur des Universums höher als die elektroschwache Energieskala war", erklärten Prof. Jose Miguel No, Luca Merlo, Alvaro Lozano-Onrubia und Sergio López-Zurdo gegenüber Phys.org.

"In den letzten Jahren hat einer von uns (Prof. No) die Möglichkeit erforscht, dass diese Symmetrie im frühen Universum gebrochen geblieben sein könnte, da dies wichtige Auswirkungen auf den Ursprung der primordialen Materie-Antimaterie-Asymmetrie (die sogenannte 'Baryonasymmetrie des Universums') haben könnte. Es war jedoch sehr schwierig, Erweiterungen des SM zu finden, die einen solchen Effekt aufweisen würden."

Auf einem theoretischen Physik-Workshop in München begann Prof. No, über die Phänomenologie einiger Teilchenphysikmodelle zu diskutieren, die Massen für SM-Neutrinos generieren, mit Prof. Kaladi Babu von der Oklahoma State University. Prof. Babu, ein weltweit führender Experte für diese Rahmenbedingungen, die als radiative Neutrinomassemodelle bekannt sind, bot wertvolle Einblicke, die den Weg für die jüngste Studie des Teams ebneten.

"Diese Unterhaltung führte zur Erkenntnis, dass solche Modelle die erforderlichen Zutaten hatten, um die Hyperladungs-Eichsymmetrie - eine der beiden Symmetrien, die die elektroschwache Eichsymmetrie bilden - bei sehr hohen Temperaturen gebrochen zu halten", sagten die Forscher.

"Zurück am IFT in Madrid saßen wir alle zusammen und bestätigten, dass diese Neutrinomassmodelle das Brechen der Hyperladungssymmetrie im frühen Universum aufweisen könnten, was potenziell eine neue Perspektive auf die Verbindung zwischen Neutrinomassen und der Baryonasymmetrie bieten könnte."

Das SM hat einen einfachen skalaren Sektor, der nur das Higgs-Feld enthält, das für die Generierung der Masse von massiven Teilchen, die vom Modell beschrieben werden, verantwortlich ist. Dieser einfache skalare Sektor legt nahe, dass das Universum eine ziemlich einfache thermische Geschichte hat, wobei die Eichsymmetrien des SM bei hohen Temperaturen exakt sind. Dennoch bricht die elektroschwache Symmetrie bei niedrigen Temperaturen spontan, ein Phänomen, das experimentell gut etabliert ist.

"In bestimmten Erweiterungen des SM mit einem reicheren skalaren Sektor wäre die thermische Geschichte des Universums jedoch komplexer gewesen", erklärten No, Merlo, Lozano-Onrubia und López-Zurdo. "Insbesondere zeigten wir, dass in Erweiterungen, bei denen dieser reichere skalare Sektor mit der Erzeugung von Neutrinomassen verknüpft ist, die Hyperladungs-Eichsymmetrie des SM tatsächlich bei hohen Temperaturen gebrochen werden kann, während dies im SM nicht der Fall ist."

Die Forscher zeigten auf, dass das Brechen der Hyperladungssymmetrie im frühen Universum das beobachtete Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie im Universum erklären könnte, das als das Problem der Baryonasymmetrie bekannt ist. In ihrem Papier skizzieren No, Merlo, Lozano-Onrubia und López-Zurdo einen unkonventionellen Mechanismus, der zur Bildung des heutigen materiedominierten Universums beigetragen haben könnte.

Entdecken Sie das Neueste aus Wissenschaft, Technik und Weltraum mit über 100.000 Abonnenten, die sich auf Phys.org für tägliche Einblicke verlassen. Melden Sie sich für unseren kostenlosen Newsletter an und erhalten Sie täglich oder wöchentlich Updates zu Durchbrüchen, Innovationen und Forschungsergebnissen, die wichtig sind.

"Zunächst einmal unterstreicht unsere Studie die Relevanz der Berücksichtigung der quantenmechanischen Beiträge bei diesen Analysen, da unsere Ergebnisse entscheidend von einer ordnungsgemäßen Einbeziehung abhängen", sagten die Forscher.

„Wir haben gezeigt, dass Teilchenphysik-Modelle mit einem nicht-minimalen skalaren Sektor sehr vielversprechende Szenarien sind, um gleichzeitig mehrere der ungelösten Probleme des SM zu erklären, in unserem Fall die Herkunft der Neutrinomassen und die Erzeugung der Baryonasymmetrie des Universums.“

Die kürzlichen Arbeiten dieses Forschungsteams könnten bald interessante Möglichkeiten für die Untersuchung der Neutrinophysik und der Ursprünge der Materie eröffnen. In Zukunft könnte es zur Entwicklung alternativer Modelle des Universums beitragen, die bessere Erklärungen für seine Materie-Antimaterie-Asymmetrie bieten.

„Gleichzeitig ebnet unsere Arbeit den Weg für alternative, neue Möglichkeiten, die Herkunft der Baryonasymmetrie des Universums zu erklären, die letztendlich zu unserer eigenen Existenz führt“, sagten die Forscher.

Die kürzlichen Analysen von No, Merlo, Lozano-Onrubia und López-Zurdo beziehen sich speziell auf ein bestimmtes theoretisches Rahmenwerk der Neutrinomasserzeugung bekannt als das Zee-Babu-Modell. Im Rahmen ihrer aktuellen Forschung versuchen die Forscher zu ermitteln, ob ihre Ergebnisse nur auf dieses Modell anwendbar sind oder auf eine breitere Palette von Theorien, die reiche skalare Sektoren beschreiben.

„Darüber hinaus könnte dieses Phänomen des ‚umgekehrten Symmetriebruchs‘ (dass eine bestimmte Symmetrie, die im frühen Universum als genau angesehen würde, tatsächlich damals gebrochen wurde) eine Lösung für andere Probleme des SM bieten, wie das ‚stark-CP‘-Problem – warum die starken Wechselwirkungen scheinbar die diskrete CP-Symmetrie erhalten“, fügten die Forscher hinzu. „Dies ist eine Möglichkeit, die wir in einer weiteren Analyse, die wir durchführen, erkunden.“

Weitere Informationen: S. López-Zurdo et al, Early Universe Hypercharge Breaking and Neutrino Mass Generation, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.041802.

Journalinformation: Physical Review Letters

© 2025 Science X Netzwerk