Anzahl der geladenen Baryonen und Leptonen im Universum



  • Hallo,

    Im Universum gibt es ja eine Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie. Es gibt also mehr Elektronen als Positronen. Trotzdem scheint ja, soweit ich das sehe, die Gesamtladung von grossen Dingen relativ neutral zu sein. Es ist mir auch nicht bewusst, dass auf astronomischen Grosssenskalen elektrische Ladungen (zum Beispiel von Galaxien) relevant werden. Das heisst, dass es im Grossen und Ganzen wohl zu jeder negativen Ladung eines Elektrons eine positive Ladung eines anderen Teilchens gibt. So wie ich das sehe, sind das wohl im Wesentlichen Baryonen, also vor allem natuerlich Protonen.

    Was ich mich frage ist, ob es in der Physik ein Gesetz gibt, nach dem die elektrische Gesamtladung aller Leptonen vom Betrage her gleich der Gesamtladung aller Baryonen ist, aber ein anderes Vorzeichen hat. Wenn das nicht so waere, dann wuerde man wohl davon ausgehen, dass das Universum insgesamt elektrisch geladen ist.

    Weiss das jemand? Irgendwie kommt es mir so vor, als ob ich da etwas wichtiges aus dem Studium entweder vergessen habe oder nie mitgekriegt habe.



  • Das ist aber eine äußerst elementare Frage, die glaube ich bisher keine Antwort hat. Wenn wir Leptonenzahl- und Ladungserhaltung haben, dann ist das die selbe Frage, ob das Universum während der Urknalls schon eine Ladung hatte (insbesondere in Zeiten, als es nur die Urkraft gab). Wenn das Standardmodell das nicht ausschließt, kann es also vorerst gut sein, dass das Universum nicht elektrisch neutral ist, und mir ist in dem Rahmen kein solches Gesetz bekannt. Vielleicht widerspricht dem irgendwas in der GU/M-Theorie?



  • Gregor schrieb:

    Hallo,

    Im Universum gibt es ja eine Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie. Es gibt also mehr Elektronen als Positronen.

    Laut Wikipedia ist die "baryon asymmetry" auch bloss Spekulation, bzw. kann man es einfach nur für die Teile des Universums sagen die wir uns genauer angucken können. Oder ist Wikipedia hier nicht up-to-date?

    Davon abgesehen...
    Wenn ein Überschuss an z.B. Elektronen da wäre, dann würde es die doch vermutlich "sehr schnell" aus den Galaxien rausgedrückt haben - die mögen sich ja gegenseitig nicht so. Und da die elektrische Kraft viel stärker als die Gravitation ist...
    Gibt es Anzeichen dafür dass zwischen den Galaxien bzw. Galaxienhaufen nicht haufenweise freie Elektronen rumgurken?
    (Bzw. Protonen - wo man den Überschuss halt annimmt.)

    Und wie sieht es allgemein mit den Theorien zur Teichenentstehung aus - das wird ja vermutlich schon öfters gut simuliert worden sein was da entstanden sein müsste. Gibt es da Grund zur Annahme dass signifikant mehr Elektronen als Protonen entstanden sein sollten (oder umgekehrt)?



  • hustbaer schrieb:

    Gibt es Anzeichen dafür dass zwischen den Galaxien bzw. Galaxienhaufen nicht haufenweise freie Elektronen rumgurken?

    Ich gehe davon aus, dass man das ausschliessen kann. Geladene Teilchen koennen elektromagnetisch strahlen und mit elektromagnetischer Strahlung wechselwirken. Da man in erster Linie elektromagnetische Strahlung misst, wenn man in den Himmel guckt, sollte man das vermutlich auch messen koennen.

    hustbaer schrieb:

    Und wie sieht es allgemein mit den Theorien zur Teichenentstehung aus - das wird ja vermutlich schon öfters gut simuliert worden sein was da entstanden sein müsste. Gibt es da Grund zur Annahme dass signifikant mehr Elektronen als Protonen entstanden sein sollten (oder umgekehrt)?

    Wie gesagt, das weiss ich nicht. Es kann durchaus sein, dass das, wie Jodocus sagt, eine bisher ungeklaerte Frage ist.



  • Gregor schrieb:

    Geladene Teilchen koennen elektromagnetisch strahlen

    Auch wenn sie in relativer Ruhe sind (also nicht beschleunigt/gebremst werden)?

    Gregor schrieb:

    und mit elektromagnetischer Strahlung wechselwirken. Da man in erster Linie elektromagnetische Strahlung misst, wenn man in den Himmel guckt, sollte man das vermutlich auch messen koennen.

    Vielleicht ist das der Grund dafür dass den Astronomen so viel leuchtende Materie abgeht - es wäre genug Licht da, bloss die blöden Elektronenwolken verdunkeln alles 😃 🤡



  • @hustbaer: Die strahlen natürlich, wenn sie beschleunigt werden. Ich glaube aber nicht, dass man das ausschließen kann. Jenseits davon müsste man zumindest etwas von der Thomson-Streuung mitkriegen. 🙂



  • Naja is ja, oder verstehe ich das falsch?
    https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background#Polarization

    The E-modes arise naturally from Thomson scattering in a heterogeneous plasma.

    Gut, da steht heterogeneous, aber heterogähn* heisst ja nicht 50/50 Mischung.

    * Ich weiss schon wie man das schreibt, bin bloss müde 🙂



  • Die Frage ist rein philosophisch.
    Da es bis heute keine Moeglichkeit gibt die Ladungsbilanz bei astronomischen Entfernungen zu messen.
    Eine Hyperthese einer vermeidlichen Antisymmetrie hat die Wissenschaft bis heutw nicht geliefert.
    Eine THEORIE ist die Supersymmetrie.



  • @Prof84: Sorry, ich glaube, ich habe Dich nicht verstanden. Was genau war die konstruktive Aussage in Deinem Beitrag? 😕



  • Prof84 schrieb:

    Da es bis heute keine Moeglichkeit gibt die Ladungsbilanz bei astronomischen Entfernungen zu messen.

    Natürlich gibt es die. Die elektromagnetische Wechselwirkung ist, genau wie die Gravitation nicht von der Reichweite her begrenzt. Wenn also ein großer astronomischer Körper nennenswert aufgeladen wäre, dann würde er dadurch andere Körper auch über weite Entfernungen hinweg anziehen oder abstoßen. Das könnte man feststellen.



  • Soll das ein Witz sein?
    Dann erzähl mir mal, wie Du die Ladungsträgerbilanz eines Kubik-Parsecs bestimmen willst.
    Die Feldstaerke ist abstandsabhaengig von den Ladungen.
    Das Spektrum einzelner Ionen kannst Du bestimmen, Strahlung und gravimetrische Effekte. Aber keine Gesamtbilanz.



  • Gregor schrieb:

    Wenn also ein großer astronomischer Körper nennenswert aufgeladen wäre, dann würde er dadurch andere Körper auch über weite Entfernungen hinweg anziehen oder abstoßen. Das könnte man feststellen.

    Ausser wenn rund um uns herum noch haufenweise andere aufgeladene Körper sind. Wenn unsere gesamte Umgebung inetwa gleich aufgeladen ist, dann wirkt hier keine Kraft auf geladene Teilchen. Wie könnten wir das dann feststellen?


  • Mod

    hustbaer schrieb:

    Gregor schrieb:

    Wenn also ein großer astronomischer Körper nennenswert aufgeladen wäre, dann würde er dadurch andere Körper auch über weite Entfernungen hinweg anziehen oder abstoßen. Das könnte man feststellen.

    Ausser wenn rund um uns herum noch haufenweise andere aufgeladene Körper sind. Wenn unsere gesamte Umgebung inetwa gleich aufgeladen ist, dann wirkt hier keine Kraft auf geladene Teilchen. Wie könnten wir das dann feststellen?

    Wir würden sehen, dass sich andere Objekte ungewöhnlich stark zueinander angezogen oder gar abgestoßen fühlen. Besonders das Abstoßen würde auffallen.



  • Prof84 schrieb:

    Soll das ein Witz sein?
    Dann erzähl mir mal, wie Du die Ladungsträgerbilanz eines Kubik-Parsecs bestimmen willst.
    Die Feldstaerke ist abstandsabhaengig von den Ladungen.
    Das Spektrum einzelner Ionen kannst Du bestimmen, Strahlung und gravimetrische Effekte. Aber keine Gesamtbilanz.

    Wie bereits geschrieben, gehe ich davon aus, dass man das bei grossen Objekten abstossende oder anziehende Kraeften sehen wuerde, die von der Gravitation abweichen. Damit sieht man es dann natuerlich auch in den Trajektorien dieser Koerper. Bei kleinen geladenen Teilchen wuerde man elektromagnetische Strahlung und Thomson-Streuung feststellen. Ganz generell kann eine Galaxie nicht massiv geladen sein, da sie sonst wegen der Coulomb-Abstossung nicht zusammen halten wuerde.

    Sicherlich kann man ueber solche Messungen und Erwaegungen keine Ladungsbilanz bis auf die letzte Elementarladung hin aufstellen, aber man kann vermutlich eine Obergrenze fuer die Ladung in einem Raumbereich angeben. Veroeffentlichungen in dem Zusammenhang kenne ich allerdings nicht.



  • SeppJ schrieb:

    Wir würden sehen, dass sich andere Objekte ungewöhnlich stark zueinander angezogen oder gar abgestoßen fühlen. Besonders das Abstoßen würde auffallen.

    Naja...
    Wenn es um grosse "Objekte" (Galaxien, Galaxienhaufen) geht ... OK.

    Aber wenn wir annehmen dass das ganze Universum von z.B. einem "Elektronengas" durchsetzt ist, das sich mehr oder weniger schnell ausbreitet (weil es sich halt selbständig "auseinanderdrückt")...
    Dann gäbe es ein mehr oder weniger homogenes Feld, und nichts würde besonders stark in irgend eine Richtung beschleunigt.

    Und wenn, dann würde ich eben das annehmen. Wieso sollte eine Galaxie besonders stark geladen sein? Was sollte die überschüssigen Ionen in der Galaxie halten?


  • Mod

    hustbaer schrieb:

    Aber wenn wir annehmen dass das ganze Universum von z.B. einem "Elektronengas" durchsetzt ist, das sich mehr oder weniger schnell ausbreitet (weil es sich halt selbständig "auseinanderdrückt")...
    Dann gäbe es ein mehr oder weniger homogenes Feld, und nichts würde besonders stark in irgend eine Richtung beschleunigt.

    Dass dies nicht der Fall ist, sieht man da dran, dass man überhaupt etwas sieht 🙂

    Und wenn, dann würde ich eben das annehmen. Wieso sollte eine Galaxie besonders stark geladen sein? Was sollte die überschüssigen Ionen in der Galaxie halten?

    Eben nichts. Aber ich dachte, du hättest das so gemeint, dass aus irgendeinem Grund ein paar Galaxien positiv geladen und andere negativ geladen sind.



  • SeppJ schrieb:

    hustbaer schrieb:

    Aber wenn wir annehmen dass das ganze Universum von z.B. einem "Elektronengas" durchsetzt ist, das sich mehr oder weniger schnell ausbreitet (weil es sich halt selbständig "auseinanderdrückt")...
    Dann gäbe es ein mehr oder weniger homogenes Feld, und nichts würde besonders stark in irgend eine Richtung beschleunigt.

    Dass dies nicht der Fall ist, sieht man da dran, dass man überhaupt etwas sieht 🙂

    Ach das kommt bloss drauf an wie dicht die Suppe ist 🙂

    Photonen werden an Elektronen ja bloss gestreut wenn sie direkt draufdonnern, oder hab' ich das falsch verstanden/falsch in Erinnerung? Und so ein Elektron ist ja doch ziemlich klein...

    Und SO mächtig viele werden vielleicht gar nicht mehr übrig sein - die angenommene Elektronensuppe müsste sich ja seit dem Urknall durch "wir mögen uns gegenseitig nicht" schon reichlich verdünnt haben.
    (Bzw. wenn der Überschuss aus Protonen bzw. allgemein positiv geladenen Ionen besteht gilt im Prinzip das selbe. Nur dass dann die Chancen für "ist schon ausreichend dünn" dann vermutlich durch das ungünstigere Ladung/Masse Verhältnis um mehrere Grössenordnungen geringer ausfallen werden.)

    Also mir geht es hierbei um die Frage, ob nicht die naheliegendste Erklärung für die nicht-beobachtbarkeit einer signifikanten Ladung die ist, dass so ein Elektronenüberschuss/Ionenüberschuss sich seit der Teilchenentstehung einfach schon bis zur Unmessbarkeit "verdünnt" hätte.

    SeppJ schrieb:

    Und wenn, dann würde ich eben das annehmen. Wieso sollte eine Galaxie besonders stark geladen sein? Was sollte die überschüssigen Ionen in der Galaxie halten?

    Eben nichts. Aber ich dachte, du hättest das so gemeint, dass aus irgendeinem Grund ein paar Galaxien positiv geladen und andere negativ geladen sind.

    Wenn dann hätte ich gemeint dass alle gleichermassen aufgeladen sind. Und daher ein mehr-oder-weniger homogenes Feld erzeugen. Was bei Galaxien natürlich nicht funktioniert, da die so überhaupt nicht homogen verteilt sind.


  • Mod

    hustbaer schrieb:

    Photonen werden an Elektronen ja bloss gestreut wenn sie direkt draufdonnern, oder hab' ich das falsch verstanden/falsch in Erinnerung? Und so ein Elektron ist ja doch ziemlich klein...

    Ich muss meine Bemerkung zurück nehmen, dass ein Elektronengas auf jeden Fall undurchsichtig wäre. Ich hatte zunächst an ein gemischtes Gas aus positiven und negativen Ladungen gedacht, welches diffus weiß wäre. Aber wenn's nur freie Elektronen sind, bin ich mir gerade nicht sicher, wie das aussähe. Kommt drauf an, welche Arten von Anregungen da möglich sind, denn ein "direkt draufdonnern" gibt es nicht. Ich würde intuitiv sagen, dass letztlich doch so ziemlich jedes Energieniveau anregbar sein sollte, genau so wie im gemischten Ladungsgas. bloß ist die klassische Interpretation, dass im gemischten Gas zwei Ladungen durch die Anregung weiter getrennt werden eben umgekehrt, dass sich zwei Elektronen näher kommen. Aber am Ende hieße das schon noch, dass dann das freie Elektronengas (bei hinreichender Dichte) ebenfalls diffus weiß wäre.

    Und SO mächtig viele werden vielleicht gar nicht mehr übrig sein - die angenommene Elektronensuppe müsste sich ja seit dem Urknall durch "wir mögen uns gegenseitig nicht" schon reichlich verdünnt haben.
    (Bzw. wenn der Überschuss aus Protonen bzw. allgemein positiv geladenen Ionen besteht gilt im Prinzip das selbe. Nur dass dann die Chancen für "ist schon ausreichend dünn" dann vermutlich durch das ungünstigere Ladung/Masse Verhältnis um mehrere Grössenordnungen geringer ausfallen werden.)

    Wenn wir über Effekte reden, die so gering sind, dass man sie nicht beobachten kann, dann kann man dagegen natürlich nicht durch Beobachtung argumentieren 🙂 . Etwas muss halt schon ganz schön stark verdünnt sein, damit es über kosmische Distanzen nicht sichtbar ist*. Vielleicht gibt's ja zu jedem magnetischen Monopol im Universum ein zugehöriges freies Elektron/Positron.

    *: Die Dichte interstellarer Nebel und Staubwolken, die auf Bildern immer derart undurchsichtig erscheinen, ist beispielsweise von der Größenordnung der besten Laborvakuums.



  • @SeppJ
    Die ursprüngliche Frage war ja, warum inetwa gleich viel positiv wie negativ geladene Teilchen entstanden sind.

    Und ich wollte die Frage aufwerfen, ob man denn überhaupt davon ausgehen kann dass das so ist.
    Denn wenn z.B. ein Elektronenüberschuss dagewesen wäre, dann hätten sich die Elektronen sicherlich bald aus dem Staub gemacht. Also zumindest mal in die Zwischenräume zwischen den Galaxien verzogen.
    Die Frage ist bloss wie weit sie seit dem Urknall gekommen wären.
    Wenn sie weit genug gekommen sind, dass sie quasi die äusseren Galaxien überholt haben, dann wäre allein die Tatsache dass man kein Elektronengas im interstellaren Raum "sehen" kann, kein Anhaltspunkt dafür ob gleich viel positive wie negative Ladungen entstanden sind oder nicht.

    Und natürlich kommt noch dazu dass es ja lange nicht sicher ist dass nicht auch haufenweise Antimaterie entstanden ist.

    SeppJ schrieb:

    *: Die Dichte interstellarer Nebel und Staubwolken, die auf Bildern immer derart undurchsichtig erscheinen, ist beispielsweise von der Größenordnung der besten Laborvakuums.

    Soweit ich weiss ist die durchschnittliche Dichte des Universums deutlich unter der Größenordnung der besten Laborvakuums.
    Grössenordnung 10 Wasserstoffatome pro Kubikmeter oder so.
    Wenn also - angenommen - 10 Elektronen pro Proton entstanden wären, und man annimmt dass die Elektronen es nicht geschafft haben sich deutlich weiter auszudehnen als die Galaxien, dann müssten zwischen den Galaxien ca. 100 Elektronen pro Kubikmeter rumhängen. (Weniger, da es ja auch noch Neutronen und andere Teilchen gibt, aber das vergessen wir mal - der Unterschied wird die Grössenordnung um die es geht vermutlich nicht beeinflussen.)
    Keine Ahnung ob das auf die riesigen Distanzen um die es da geht zu einer nennenswerten Streuung/Dämpfung führen würde.


  • Mod

    Dann ist es ja bloß noch eine Frage, ob man diese Dichte sehen würde. Soweit ich weiß, hat man die Dichte des intergalaktischen Plasmas auf eben eine Größenordnung von hunderten von ionisierten Wasserstoffen pro m³ gemessen. Und das ist durchaus von Wichtigkeit, da es merklich das Licht von entfernten Quellen dämpft. Ich vermute mal, dass ungefähr die gleiche Menge an Elektronen dabei aufgefallen wäre.

    Mittlerweile hatte ich aber auch Zeit, selber mal ein bisschen zu recherchieren. Dabei habe ich zum Beispiel folgenden Ansatz gefunden:
    http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.54.2457
    Da geht's zwar prinzipiell um mögliche Ursachen und Folgen einer Gesamtladung, aber es werden auch Abschätzungen anhand aktueller Beobachtungen gemacht. So folgern der messbaren Einfallsrichtung der kosmischen Strahlung, auf eine Obergrenze für den Ladungsüberschuss. Dummerweise geben sie das in Ladungsüberschuss/Photon (10^-39) an. Das ist für Kosmologen sicherlich eine sinnvolle Einheit ist, aber ich muss natürlich erst einmal nachgucken, dass die Zahl der Photonen/Baryon auf ungefähr 10^9 geschätzt wird. Das ist doch mal eine Zahl. Also, wenn geladen, dann sehr gering (10^-36 Ladungen pro cm^3, wenn ich mich nicht verrechnet habe).
    Dieser Artikel geht noch weiter:
    http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269302026369
    Da wird aus den (relativ gut bekannten) Statistiken der Nukleosynthese (die sehr viel besser verstanden ist als die Baryogenese, bei der (oder gar noch davor) der Ladungsüberschuss entstanden sein müsste), dass das Verhältnis sogar kleiner als 10^-43 sein muss.

    Womit sich vermutlich auch Gregors Frage klärt.

    PS: Für diejenigen ohne Zugang, hier eine offene Version zumindest des zweiten Artikel (wenn auch scheußlich formatiert 😞 ), worin auch der erste Artikel erwähnt wird:
    http://arxiv.org/abs/astro-ph/0201248


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