Bildnachweis: NASA / GSFC / Dana Berry.

Könnte dunkle Energie durch gefrorene Neutrinos verursacht werden?

Eine neue Idee verbindet die schwer fassbaren Partikel des Standardmodells mit der Nullpunktsenergie des Universums.

"Wenn Sie sich wundern, was dunkle Energie ist, sind Sie in guter Gesellschaft." - Saull Perlmutter

Als das Universum aus seinem heißen, dichten, sich schnell ausbreitenden Zustand - aus dem Urknall - hervorging, gab es keine Möglichkeit zu wissen, dass es so ausgefallen wäre. Das Universum hätte fast sofort wieder zusammenbrechen können, oder es hätte sich schnell in Vergessenheit geraten lassen, bevor sich ein einzelnes Atom gebildet hätte. Stattdessen war die anfängliche Expansion durch die im Universum vorhandene Materie und Energie fast perfekt ausgeglichen, wobei die Dichte von Materie und Strahlung fast genau bei diesem einen, kritischen Wert lag, den sie benötigen würden, um sich schließlich genau aufzulösen. Als das Universum für Sekunden, dann Tage, dann Jahre, dann Millionen und Milliarden von Jahren alterte, sanken die Expansionsrate und die Dichte immer noch und näherten sich Null.

Und dann passierte ungefähr zu der Zeit, als sich unsere Sonne und Erde bildeten, etwas Komisches: Die fernen Galaxien, die sich in ihrer scheinbaren Rezession von uns allen verlangsamt hatten, begannen sich wieder zu beschleunigen. Irgendwie begann sich das Universum zu beschleunigen.

Die drei Erwartungen, die Sie an das Schicksal des Universums haben würden, wenn es im Grunde mit Materie und Strahlung gefüllt wäre, im Vergleich zu dem, was tatsächlich beobachtet wurde. Bildnachweis: E. Siegel.

Wir können messen, wie sich die Expansion des Universums beschleunigt, und was wir finden, stimmt zu 100% mit einem Phänomen überein, das viele Namen hat, aber alle dasselbe beschreiben:

• eine kosmologische Konstante,

• Energie, die dem Raum selbst innewohnt,

• Vakuumenergie,

• oder ein unveränderliches Skalarfeld.

Es gibt einige kleine Wackel-Raum-Parameter, wie sie sich im Laufe der Zeit ändern könnten - vielleicht ist ein sich langsam änderndes Skalarfeld oder ein Modell der Quintessenz erlaubt -, aber zum größten Teil sieht es so aus, als ob die Dunkle Energie wirklich, wirklich konstant ist. Nur weil die Energiedichte der anderen Komponenten des Universums mit zunehmender Ausdehnung abnimmt, wird dunkle Energie immer wichtiger.

Wie sich die Energiedichte in einem Universum, das von Materie (oben), Strahlung (Mitte) und einer kosmologischen Konstante (unten) dominiert wird, mit der Zeit ändert. Bildnachweis: E. Siegel.

Mit zunehmendem Volumen des beobachtbaren Universums sinkt die Materiedichte und die Strahlungsdichte sogar noch schneller, da sich die Wellenlänge auf niedrigere Energiezustände ausdehnt. Aber da dunkle Energie eine Eigenschaft des leeren Raums selbst ist, bleibt die Dichte gleich, wenn sich das Universum ausdehnt. Nach den ersten tausend Jahren des Universums wird Materie wichtiger als Strahlung. Nach ein paar Milliarden geht dunkle Energie an Materie vorbei. Und bis wir heute sind, können wir sehen, wie das Schicksal unseres Universums aussieht: eine einsame, leere Leere, in der alles, was außerhalb unserer gravitationsbedingten lokalen Gruppe liegt, irgendwann aus unserer Reichweite verschwindet.

Galaxy-Cluster LCDCS-0829, wie vom Hubble-Weltraumteleskop beobachtet. Dieser Galaxienhaufen rast von uns weg und wird in nur wenigen Milliarden Jahren selbst bei Lichtgeschwindigkeit nicht mehr erreichbar sein. Bildnachweis: ESA / Hubble & NASA.

Eine der größten ungelösten Fragen in der theoretischen Physik ist also, warum? Was verursacht diese dunkle Energie überhaupt? Welche Kraft zwingt das Universum zur Beschleunigung? Und warum ist die scheinbare Energie, die dem Raum innewohnt, ein anderer Wert als Null?

Seit seiner Entdeckung im Jahr 1998 fehlte der beschleunigten Expansion eine überzeugende, einfache Erklärung, die keine völlig neuen Kräfte, Eigenschaften oder Wechselwirkungen vermuten ließ. Wenn Sie ein Skalarfeld - ein Quintessenzmodell - haben wollten, musste es fein abgestimmt werden. Aber in einem sehr cleveren Artikel, der gestern von Fergus Simpson, Raul Jimenez, Carlos Pena-Garay und Licia Verde eingereicht wurde, stellen sie fest, dass, wenn ein generisches Skalarfeld mit den Neutrinos in unserem Universum gekoppelt wird, die Feinabstimmung wegfällt und Dieses Skalarfeld verhält sich automatisch als kosmologische Konstante: als Energie, die dem Raum selbst inhärent ist. Und es erklärt die Frage: „Warum wird dunkle Energie im Universum erst jetzt wichtig?“ Sobald sich das Universum so weit abgekühlt hat, dass die Neutrinos nicht mehr relativistisch werden, geschieht dies erst, wenn das Universum Millionen von Jahren alt ist alt, werden die Neutrinos in ihrer Kopplung an das Skalarfeld "eingefroren", und was auf natürliche Weise entsteht, sieht genauso aus wie die Dunkle Energie unseres Universums.

Ein Beispiel dafür, wie sich die Dichte von Strahlung (rot), Neutrino (gestrichelt), Materie (blau) und Dunkler Energie (gepunktet) mit der Zeit ändert. In diesem neuen Modell würde die Dunkle Energie durch die durchgezogene schwarze Kurve ersetzt, die bisher beobachtungsgemäß nicht von der von uns angenommenen Dunklen Energie zu unterscheiden ist. Bildnachweis: Abbildung 1 von F. Simpson et al. (2016) über https://arxiv.org/abs/1607.02515.

Es macht auch mehr als das; Es gibt experimentelle Signaturen, nach denen wir suchen könnten, um diesen Mechanismus von allen anderen zu unterscheiden. Es gibt eine bestimmte Art von Zerfall, die in einigen subatomaren Teilchen möglich ist: den neutrinolosen Doppel-Beta-Zerfall, bei dem ein Atomkern zwei Elektronen und keine Neutrinos emittiert. Dies ist ein Zerfall, der noch nie zuvor gesehen wurde. Wenn dieses Modell jedoch korrekt ist, wird es nicht nur real sein, sondern auch eine andere Signatur aufweisen als alle anderen Modelle auf dem Markt. Einige Varianten des Modells enthalten möglicherweise auch ein massives Dirac-Neutrino, das noch nicht entdeckt wurde, nach dem wir jedoch experimentell suchen könnten.

Die Feynman-Diagramme für 2νββ (Doppel-Neutrino-Doppel-Beta-Zerfall) auf der linken Seite und für 0νββ (neutrinoloser Doppel-Beta-Zerfall) auf der rechten Seite. Dieses neue Modell macht explizite Vorhersagen für letztere. Bildnachweis: Erlanger Zentrum für Astroteilchenphysik (ecap), über http://www.ecap.physik.uni-erlangen.de/nexo/research.shtml.

Die Analogie, wie dieser "Einfrier" -Prozess abläuft, ist genial einfach, wie die Autoren sagen:

Die zugrunde liegende Phänomenologie dieses Gefrierprozesses beruht auf der klassischen Mechanik. Ein Radfahrer, der bergauf radelt, könnte anfangen, gegen ein zunehmend steileres Gefälle anzukämpfen. Unabhängig davon, wie schwach die Leistung des Fahrers ist, können sie jederzeit eine konstante Trittfrequenz beibehalten, indem sie einfach einen entsprechend hohen Gang wählen. Sie können niemals rückwärts rollen.

Und wenn Neutrinos und dieses neue Skalarfeld genau so interagieren, haben wir nicht nur eine Erklärung für die Dunkle Energie, sondern können dies auch experimentell nachvollziehen. Es ist die beste neue Theorie: überprüfbar, fälschbar und das Universum verändernd, wenn es richtig ist!

Dieser Beitrag erschien zum ersten Mal bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!