Eigentlich hätte schon in den ersten Sekundenbruchteilen Schluss sein müssen: Als sich das Universum kurz nach dem Urknall exponentiell ausdehnte, hätten die starken Fluktuationen das Higgsfeld und damit den gesamten Kosmos wieder kollabieren lassen müssen – so zumindest die Theorie. Eine Lösung dieses Paradoxes schlägt nun eine europäische Forschergruppe vor. Demnach könnte eine Wechselwirkung von Gravitation und Higgsfeld für die nötige Stabilität gesorgt haben.
Direkt nach dem Urknall dehnte sich unser Universum innerhalb von Sekundenbruchteilen mit Überlichtgeschwindigkeit aus. Diese Phase der kosmischen Inflation schleuderte die Urmaterie auseinander und löste dabei enorme Energiefluktuationen aus. Auch das Higgsfeld spielte dabei vermutlich eine Rolle – allerdings eher eine destabilisierende, wie Forscher vor wenigen Monaten feststellten. Denn die starken Energiefluktuationen müssten dieses Feld eigentlich aus seinem metastabilen Zustand gestoßen und dadurch das gesamte Universum zum Kollaps gebracht haben.
Neue Physik – oder nur neue Wechselwirkung?
Ganz offensichtlich aber geschah dies nicht: Das Universum wuchs weiter, statt zu kollabieren. Seither suchen Wissenschaftler nach dem Grund dafür. „Das Standardmodell der Physik hat bisher keine Antwort dazu geliefert, warum das Universum nicht nach dem Urknall wieder kollabierte“, erklärt Seniorautor Arttu Rajantie vom Imperial College London. Deshalb werden inzwischen physikalische Prozesse diskutiert, die noch nicht vom Standardmodell erfasst sind
Rajantie und seine Kollegen schlagen dagegen eine viel einfachere Erklärung vor. „Wir haben den letzten unbekannten Parameter im Standardmodell untersucht – die Interaktion zwischen dem Higgs-Teilchen und der Gravitation“, erklärt der Forscher. Diese Wechselwirkung lässt sich nicht in Teilchenbeschleunigern oder anderen Experimenten untersuchen, daher ist unklar, welches Ausmaß und welche Auswirkung sie hat.
Gravitation stabilisierte Higgsfeld
Wie die Forscher in ihrer theoretischen Herleitung nachweisen, könnte diese Interaktion aber die entscheidende Rolle für die Stabilität des Universums während der Inflation gespielt haben. Denn ihren Berechnungen nach hätte schon eine winzige Interaktion zwischen der Raumzeit-Krümmung – und damit der Gravitation – die Stabilität des Higgsfelds erhöhen können.
Diese Wechselwirkung wiederum hätte dazu geführt, dass das Feld auch während der starken Fluktuationen nicht auf seinen Minimalzustand zurückfiel und dadurch auch das Universum nicht zum Kollabieren bringen konnte. „Selbst ein relativ kleiner Wert ist genug, um das Überleben des Universums auch ohne neue Physik zu erklären“, sagt Rajantie.
Hintergrundstrahlung soll Belege liefern
Bisher ist dies allerdings reine Theorie, experimentell beweisen lässt sich dies noch nicht. Die Forscher wollen aber nun anhand von kosmologischen Daten nach Hinweisen auf die frühe Interaktion von Higgsfeld und Gravitation suchen. Dafür wollen sie vor allem Daten des Planck-Satelliten und anderer Observatorien nutzen, die die kosmische Hintergrundstrahlung und damit die Überreste des frühesten Lichts im Kosmos untersuchen.
„Unser Ziel ist es, die Interaktion zwischen Gravitation und Higgsfeld anhand dieser kosmologischen Daten zu messen“, sagt Rajantie. „Sollte uns das gelingen, dann hätten wir die letzte unbekannte Zahl im Standardmodell der Physik geliefert und wären der Antwort auf fundamentale Fragen wie der nach unserer Existenz sehr viel näher.“ (Physical Review Letters, 2014; doi: 10.1103/PhysRevLett.113.211102)
(Imperial College London, 19.11.2014 – NPO)
