The Influence of Matter-Antimatter Domains on Big Bang Nucleosynthesis

In der vorliegenden Arbeit habe ich mich mit den Auswirkungen
eventuell im fruehen Universum vorhandener Antimaterieregionen auf
die Haeufigkeiten der leichten Elemente beschaeftigt. Praktisch das
gesamte Deuterium und der ueberwiegende Teil der Helium-4 Kerne,
die wir heute im Universum beobachten, wurden in einem fuehen
Evolutionsstadium des Kosmos — nur wenige Minuten nach dem Urknall
— gebildet. In der Theorie der sogenannten Primordialen
Nukleosynthese — oder auch Big Bang Nukleosynthese (BBN) — werden
die relativen Haeufigkeiten der einzelnen Kerne abhangig von den
genauen physikalischen Bedingungen im jungen Universum
vorhergesagt. Die im Rahmen des Standardmodells der Kosmologie
vorhergesagten Elementhaeufigkeiten stimmen im Allgemeinen gut mit
aus Beobachtungen abgeleiteten Werten ueberein. Dies begr uendet
den großen Erfolg dieser Theorie und macht sie zu einem der
Grundpfeiler des kosmologischen Standardmodells. Denkbare
Erweiterungen des Standardmodells koennen jedoch potentiell
Auswirkungen auf den Ablauf der Kernsynthese haben. Da aber jedes
glaubwuerdige Szenario ebenso wie die Standardtheorie die aus den
Beobachtungen abgeleiteten Haeufigkeiten vorhersagen muss, duerfen
die H¨aufigkeiten nur minimal beeinflusst werden. Diese
Ueberlegungen gestatten es uns, die Kernsynthese als ”Werkzeug“ zur
Untersuchung der physikalischen Bedingungen im jungen Universum zu
verwenden. Dies ist bereits in der Vergangenheit vielfach
praktiziert worden. Eine haeufig untersuchte Variante ist die
sogenannte inhomogene Nukleosynthese. In einem solchen Modell wird
eine Grundannahme des kosmologischen Standardmodells, die
Homogenitaet der Verteilung der baryonischen Materie im jungen
Universum, fallengelassen. Das von mir untersuchte Szenario geht
noch einen Schritt weiter und laeßt auch Fluktuationen in der
Baryonendichte mit negativem Vorzeichen zu. In einem solchen Modell
besteht das junge Universum aus getrennten Materie- und
Antimaterieregionen. Diese Art spezieller Anfangsbedingungen wird
in einigen Modellen der elektroschwachen Baryogenese vorhergesagt.
Solche Materie- und Antimaterieregionen werden sich gegenseitig
annihilieren, sobald der Transport von Baryonen ueber die Grenzen
der Regionen moeglich ist. Nach der vollst¨andigen Annihilation
aller Antimaterieregionen bleibt nur der im Zuge der Baryogenese
gebildete Ueberschuß an Materie uebrig. Zur numerischen Behandlung
dieses Problems habe ich ein Computerprogramm entwickelt. In diesem
Programm werden sowohl die nuklearen Reaktionen, die zum Aufbau der
leichten Elemente fuehren, als auch Annihilationen beruecksichtigt.
Da die Kernsynthese und die Annihilation der Antimaterieregionen im
expandierenden Universum ablaufen, und die genauenWerte der
einzelnen thermodynamischen Variablen, wie Druck, Dichte und
Temperatur der beteiligten Teilchen, von entscheidender Wichtigkeit
sind, muss das Programm auf dem Hintergrund der Expansion des
Kosmos gerechnet werden. Weiterhin musste neben den Reaktionen, die
zwischen den einzelnen Nukleonen ablaufen koennen, auch der
Transport von Nukleonen und Antinukleonen in die jeweilige
Anti-Region behandelt werden. Diese Transportprozesse werden zu
fruehen Zeiten durch Diffusion von Baryonen beschrieben, zu spaeten
Zeiten hingegen durch hydrodynamische Expansion von Regionen mit
hoeherer Dichte gegen solche mit niedrigerer Dichte. Abhaengig vom
Zeitpunkt der Annihilation k¨onnen die Haeufigkeiten der leichten
Elemente durch zwei Haupteffekte beeinflusst werden. Im Zuge der
Heliumsynthese, die bei einer kosmischen Temperatur von etwa 80 keV
ablaeuft, werden praktisch alle freien Neutronen in Helium-4 Kerne
eingebaut. Die primordiale Helium-4 Haeufigkeit haengt also stark
von der Anzahl verfuegbarer Neutronen ab. Zu Zeiten vor der
Heliumsynthese laeuft der Transport von Baryonzahl ueber die
Domaenengrenzen durch Neutronendiffusion ab, Protonen koennen auf
Grund ihrer elektrischen Ladung nur ueber wesentlich kuerzere
Distanzen diffundieren. Fruehe Annihilation wird also bevorzugt auf
Neutronen stattfinden und fuehrt so zu einer Reduzierung der
Neutronendichte, und damit unmittelbar auch zu einer geringeren
Menge an primordial produziertem Helium-4. Sind die
Antimaterieregionen groeßer als die Diffusionslaenge von Neutronen
zur Zeit der Heliumsynthese, ist ein nennenswerter Transport von
Baryonzahl erst zu wesentlich sp¨ateren Zeiten moeglich.
Antiprotonen, die nun in die Materieregion eindringen, koennen
sowohl auf Protonen als auch auf die bereits gebildeten Helium-4
Kerne annihilieren. Weiterhin koennen die Helium-4 Kerne auch durch
die im Annihilationprozess entstehenden Gammaquanten
photodisintegriert werden. Beide Prozesse fuehren zur Bildung
energetischer Sekundaerkerne, in erster Linie Helium-3. Diese
energetischen Kerne koennen in einem weiteren Schritt durch
nicht-thermische Reaktionen mit Helium-4 Kernen Lithium-6 Kerne
bilden. Sp¨ate Annihilation wird also zu einer erhoehten Helium-3
und Lithium-6 Haeufigkeit im Vergleich zum Standardszenario
fuehren. Als ein wichtiges Ergebnis meiner Arbeit habe ich auf
Grund dieser Effekte Schranken sowohl an den maximal erlaubten
Antimateriegehalt im jungen Universum, als auch an den Zeitpunkt
der Annihilation, bestimmt durch die Groeße der
Antimaterieregionen, hergeleitet. Diese neuen und rigiden Schranken
decken einen weiten Annihilationszeitraum ab, von der Epoche des
Ausfrierens der schwachen Wechselwirkungen bei einer Temperatur von
etwa 1 MeV bis hinunter zur Epoche der Rekombination bei einer
kosmischen Temperatur von etwa 10 nisse wesentlich restriktiver.
Der relative Antimateriegehalt in Regionen die unmittelbar nach dem
Ende der Kernsynthese annihilieren kann beispielsweise nicht hoeher
als wenige Prozent der gesamten baryonischen Materie sein, fuer
spaetere Annihilation sinkt dieser Wert um mehr als zwei
Groeßenordnungen. In einem zweiten Hauptaspekt meiner Arbeit habe
ich gezeigt, dass die durchaus im Detail vorhandenen Diskrepanzen
zwischen den im Standardszenario der Big Bang Nukleosynthese
vorhergesagten Elementh aeufigkeiten und den aus Beobachtungen
abgeleiteten Werten durch die Praesenz einer gewissen Menge
Antimaterie in einem bestimmten Laengenskalenbereich beseitigt
werden koennen. Weiterhin habe ich untersucht, ob die im
Standardszenario g ueltige obere Grenze fuer die Baryonendichte im
Universum in einem Szenario mit Antimateriedom aenen ebenso gueltig
ist. Auf Grund meiner Ergebnisse erscheint es sehr
unwahrscheinlich, dass die Baryonendichte in einem
Materie-Antimaterie Szenario wesentlich gr¨oßer sein kann, als im
Standardszenario vorhergesagt.