Deze kleinste deeltjes in het universum zouden ons weleens gered kunnen hebben van volledige verwoesting, zo stelt een nieuwe studie.

De kosmologische theorie over de oerknal vertelt het verhaal over hoe het universum is ontstaan. Tegelijkertijd spreekt deze theorie zichzelf ook tegen. Volgen we deze theorie namelijk stap voor stap, dan zouden we vandaag de dag ironisch genoeg juist níet moeten bestaan. Maar nu hebben natuurkundigen een nieuwe theorie voorgesteld die het mysterie verklaart. Bovendien laten ze ook meteen zien hoe we direct bewijs voor deze veelbelovende theorie kunnen vinden.

Materie en antimaterie
Laten we bij het begin beginnen. “De oerknal was een enorme vuurbal met een enorme hoeveelheid energie,” legt onderzoeker Hitoshi Murayama aan Scientias.nl uit. “Die energie veranderde vervolgens in materie. Maar wanneer energie in materie verandert, is er één regel: materie gaat altijd vergezeld met antimaterie.” Het betekent dat er aan het begin van het universum evenveel materie als antimaterie werd geproduceerd. Als dit zo was gebleven zouden ze elkaar uiteindelijk hebben ontmoet, met een grote uitbarsting van energie tot gevolg, waardoor alles werd vernietigd. “In dat geval was het universum dus leeg geweest: geen sterren, geen sterrenstelsels en geen mensen,” aldus Murayama.


Onbalans
Maar ons bestaan is in tegenspraak met deze theorie. “Op de een of andere manier moet een klein beetje antimaterie in materie zijn veranderd,” concludeert Murayama. Alleen op die manier zou er een onbalans tussen de twee zijn ontstaan waardoor totale verwoesting werd voorkomen. Maar hoe dan? “Dat is de puzzel die we graag willen gaan begrijpen,” zegt Murayama.

Neutrino’s
In de nieuwe studie stellen de onderzoekers een mogelijke verklaring voor. Die theorie gaat zo. Omdat materie en antimaterie tegenovergestelde elektrische ladingen hebben, kunnen ze in beginsel niet in elkaar veranderen. “Een elektron heeft een lading -1 en het antideeltje de positron +1,” legt Murayama uit. “Protonen hebben een lading +1 en de antiprotonen -1. Omdat je elektrische ladingen niet kunt veranderen, kan antimaterie dus niet in materie veranderen.” Met één uitzondering… “Neutrino’s zijn de enige materiedeeltjes die geen elektrische lading hebben: 0,” zegt Murayama. “Hun antideeltjes hebben een lading -0, wat hetzelfde is als 0. Van alle elementaire materiedeeltjes die we kennen, zijn neutrino’s de enige mogelijke deeltjes die kunnen veranderen van antimaterie naar materie en vice versa.”

Faseovergang
Het idee is dat rap nadat materie en antimaterie in de kosmos opdoken, het universum een zogenaamde faseovergang onderging. Tijdens deze periode werd er vervolgens meer antimaterie omgezet in neutrino’s dan dat materie in neutrino’s veranderde. En dit lost het raadsel op. Want hierdoor ontstond er dus meer materie dan antimaterie, waardoor totale vernietiging uitbleef en er wel sterren, sterrenstelsels en mensen ontstonden.


Een tijdlijn van de gebeurtenissen. Op de afbeelding is te zien hoe de oerknal werd opgevolgd door de faseovergang wat vervolgens resulteerde in zwaartekrachtsgolven die we mogelijk in de toekomst kunnen gaan oppikken. Afbeelding: R. Hurt/Caltech-JPL, NASA, ESA en Kavli IPMU

Hoewel het vrij aannemelijk klinkt, is het lastig om deze theorie daadwerkelijk hard te maken. “Het gebeurde allemaal toen het universum minder dan 100.000.000.000.000.000.000.000.000.000ste van een seconde oud en ongelofelijk heet en dicht was,” zegt Murayama. “We kunnen deze toestand niet opnieuw in een laboratorium creëren. Sterker nog, geen enkele telescoop kan zien wat er aan de hand was, omdat het dichte en hete gas ons het zicht ontneemt.” Toch hebben de onderzoekers een manier gevonden om hun theorie te controleren. Als een dergelijke faseovergang namelijk echt heeft plaatsgevonden, zou de verschuiving in massa hebben gezorgd voor zwaartekrachtsgolven – ofwel rimpelingen van ruimtetijd – in het waarneembare universum. En deze zwaartekrachtsgolven zouden detecteerbaar moeten zijn met toekomstige zwaartekrachtstelescopen.

Meer over LISA
Eén van de missies die over een aantal jaar van start zal gaan, is LISA. Deze missie bestaat uit drie sondes die in een driehoeksformatie in een baan rond de zon moeten gaan vliegen en zo op zoek gaan naar zwaartekrachtsgolven. Hoewel er inmiddels al meerdere malen zwaartekrachtsgolven zijn opgevangen door LIGO-observatoria, hopen wetenschappers dit in de toekomst ook in de ruimte te doen. Er is namelijk een aanzienlijk verschil. LIGO heeft tot nu toe voornamelijk zwaartekrachtsgolven met een korte golflengte ontdekt, terwijl LISA golven met een langere golflengte hoopt te spotten. Op die manier hopen onderzoekers meer over zwaartekrachtsgolven te ontrafelen en zo ook prangende vragen over ons bestaan op te lossen.

Waarom er juist meer antimaterie in neutrino’s veranderde dan materie, is een vraag waar onderzoekers nog niet over uit zijn. “Dat is natuurlijk dé vraag!” Zegt ook Murayama. “Hoewel materie en antimaterie spiegelbeelden van elkaar lijken te zijn, moeten ze toch enkele subtiele verschillen vertonen. En dat is één van dingen waar natuurkundigen van over de hele wereld naar op zoek zijn.” Of we dat antwoord ooit gaan vinden? De toekomst zal het uitwijzen. In de eerste plaats hopen wetenschappers het hardnekkige probleem van de oerknal op te lossen. Maar dankzij de huidige studie is het antwoord over ons bestaan in ieder geval al een stuk dichterbij gekomen.