Kosmische Ausdehnung mit Standardrepertoire der Teilchenphysik

Neuer Weg für warme Inflation

Auf den Punkt gebracht

• Neues Modell der „warmen Inflation“: Drei Forschende schlagen vor, dass die frühe, schnelle Ausdehnung des Universums (Inflation) in einer warmen Umgebung aus bekannten Elementarteilchen stattfand.
• Rolle der starken Kraft und Axion-ähnlicher Teilchen: Die starke Wechselwirkung spielt dabei eine zentrale Rolle: Gluonen koppeln an ein Feld hypothetischer Axion-artiger Teilchen, deren Wechselwirkung die notwendige Wärmeenergie für die Inflation liefert
• Experimentelle Überprüfbarkeit: Das Modell basiert weitgehend auf bekannten Teilchen und Kräften des Standardmodells – damit könnten die ersten Momente des Universums künftig auf der Erde messbar werden.

Wie ist das Universum entstanden? Dazu gibt es eine Vielzahl von Theorien. In einer aktuellen Arbeit formulieren drei Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein neues Modell: Die Inflation, die erste, sehr schnelle Ausdehnung des Universums, ist demnach in einer warmen Umgebung aus bekannten Elementarteilchen abgelaufen. Außerdem spielt die starke Kraft, eine der fundamentalen Wechselwirkungen im Standardmodell der Teilchenphysik, eine zentrale Rolle. Damit besteht die Möglichkeit, die ersten Sekundenbruchteile des Universums auf der Erde zu messen.

Das von den Forschenden entworfene Modell basiert auf folgendem Szenario: Noch vor dem Urknall durchlief das Universum eine sehr kurze Phase der kosmischen Inflation. Gängige Hypothesen gehen davon aus, dass dieses frühe Universum kalt und leer war. Dies erfordert einen bislang unbekannten Prozess, der das später beobachtete heiße Plasma zündet – im Moment des eigentlichen Urknalls. Daneben gibt es auch Modelle für warme Inflation. Für diese Art der Inflation stellen die Autorinnen und Autoren jetzt einen neuen Ansatz vor.

„Mit unserer Studie zeigen wir einen völlig neuen Weg für warme Inflation“, sagt Sebastian Zell, Wissenschaftler in der Abteilung Kosmologie und Teilchenphysik am Max-Planck-Institut für Physik. „Schon während sich das frühe Universum ausgedehnt hat, könnte es in ein Wärmebad aus bekannten Elementarteilchen getaucht gewesen sein.“ Dieses Inflationsmodell hat gegenüber den bisher bekannten einen Vorteil: Es lässt sich weitgehend mit „Bordmitteln“, also gut untersuchten Teilchen und Kräften im Standardmodell erklären. Damit sind die ersten Momente des Universums für Messungen auf der Erde zugänglich.

Kopplung liefert Wärmeenergie

Allerdings kommt auch der jetzt vorgestellte Ansatz nicht ohne Erweiterung des Standardmodells aus: Gluonen, welche die starke Kraft in Atomkernen vermitteln, binden an ein Feld hypothetischer, Axion-ähnlicher Teilchen. „Die Kopplung dieser Teilchen an die starke Kraft liefert die Energie, um das expandierende Universum aufzuheizen“, erläutert Sebastian Zell. „Damit kann warme Inflation stattfinden.“

Die Existenz kosmischer Axionen oder verwandter Teilchen könnten mehrere offene Fragen der Teilchenphysik lösen. Ein Beispiel ist die Natur der Dunklen Materie. Daher arbeiten viele Experimente daran, diese Teilchen nachzuweisen. Eines davon ist Madmax, an dem das Max-Planck-Institut für Physik federführend mitwirkt. „Angesichts dieser Bemühungen sehen wir eine realistische Chance, die warme Inflation in Zukunft experimentell zu überprüfen“, so Sebastian Zell abschließend.