Bildnachweis: NASA / GSFC / Dana Berry.

Könnte dunkle Energie durch gefrorene Neutrinos verursacht werden?

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

"Wenn Sie sich nicht sicher sind, was dunkle Energie ist, sind Sie in guter Gesellschaft." -Saul Perlmutter

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

Und dann, genau zu der Zeit, als unsere Sonne und Erde geformt wurden, passierte etwas Komisches: Die fernen Galaxien, die sich in ihrer offensichtlichen 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 mit Materie und Strahlung gefüllt wäre, im Vergleich zu dem, was tatsächlich beobachtet wird. 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 Wackelraumparameter dafür, wie sie sich im Laufe der Zeit ändern könnten - vielleicht ist ein sich langsam änderndes Skalarfeld oder ein Modell der Quintessenz zulässig -, 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 im Laufe der Zeit in einem Universum ändert, das von Materie (oben), Strahlung (Mitte) und einer kosmologischen Konstante (unten) dominiert wird. Bildnachweis: E. Siegel.

Mit zunehmendem Volumen des beobachtbaren Universums sinkt jedoch die Materiedichte und die Strahlungsdichte noch schneller, da sich ihre Wellenlänge zu niedrigeren Energiezuständen erstreckt. Aber weil dunkle Energie eine Eigenschaft des leeren Raums selbst ist, während sich das Universum ausdehnt, bleibt die Dichte gleich. Nach den ersten paar tausend Jahren des Universums wird Materie wichtiger als Strahlung. Nach einigen Milliarden passiert dunkle Energie Materie. Und bis wir heute sind, können wir sehen, wie das Schicksal unseres Universums aussieht: eine einsame, leere Leere, in der alles jenseits unserer gravitationsgebundenen lokalen Gruppe schließlich aus unserer Reichweite verschwindet.

Galaxienhaufen LCDCS-0829, wie vom Hubble-Weltraumteleskop beobachtet. Dieser Galaxienhaufen rast von uns weg und wird in nur wenigen Milliarden Jahren selbst mit Lichtgeschwindigkeit unerreichbar. 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 hat die dem Raum innewohnende scheinbare Energie einen anderen Wert als Null?

Seit ihrer Entdeckung im Jahr 1998 fehlte der beschleunigten Expansion eine überzeugende, einfache Erklärung, die keine völlig neuen Kräfte, Eigenschaften oder Wechselwirkungen vermutete. Wenn Sie ein Skalarfeld - ein Quintessenzmodell - wollten, musste es fein abgestimmt werden. In einem sehr cleveren Artikel, der gestern von Fergus Simpson, Raul Jimenez, Carlos Pena-Garay und Licia Verde eingereicht wurde, stellen sie jedoch fest, dass die Feinabstimmung wegfällt, wenn ein generisches Skalarfeld mit den Neutrinos in unserem Universum gekoppelt wird Dieses Skalarfeld verhält sich automatisch als kosmologische Konstante: als Energie, die dem Raum selbst innewohnt. Und es erklärt die Frage: "Warum wird dunkle Energie erst jetzt im Universum wichtig?" Sobald sich das Universum so weit abkühlt, dass die Neutrinos nicht relativistisch werden, was erst passiert, wenn das Universum Millionen Jahre alt ist, werden die Neutrinos in ihrer Kopplung an das Skalarfeld „eingefroren“, und was natürlich entsteht, sieht genau so 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) im Laufe der Zeit ändert. In diesem neuen Modell würde die Dunkle Energie durch die durchgezogene schwarze Kurve ersetzt, die bisher beobachtungsmäßig 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 des Zerfalls, 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, aber wenn dieses Modell korrekt ist, wird es nicht nur real sein, es wird auch eine eindeutige Signatur von allen anderen Modellen da draußen haben. 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 (doppelter Neutrino-Doppel-Beta-Zerfall) auf der linken Seite und für 0νββ (neutrinoloser doppelter Beta-Zerfall) auf der rechten Seite. Dieses neue Modell macht explizite Vorhersagen für letzteres. Bildnachweis: Erlangen Zentrum für Astroteilchenphysik (ecap), über http://www.ecap.physik.uni-erlangen.de/nexo/research.shtml.

Die Analogie, wie dieser „Einfrierprozess“ abläuft, ist genial einfach, wie die Autoren sagen:

Die diesem Phänomen zugrunde liegende Phänomenologie basiert auf der klassischen Mechanik. Ein Radfahrer, der bergauf fährt, könnte anfangen, gegen ein zunehmend steiles Gefälle zu kämpfen. Unabhängig davon, wie schwach die Leistung des Fahrers wird, kann er immer eine konstante Trittfrequenz beibehalten, indem er einfach einen entsprechend hohen Gang einlegt. Sie können niemals rückwärts rollen.

Und wenn Neutrinos und dieses neue Skalarfeld genau auf diese Weise interagieren, haben wir nicht nur unsere Erklärung für die Dunkle Energie, sondern können sie auch experimentell erkennen. Es ist die beste Art neuer Theorie: überprüfbar, fälschbar und das Universum verändernd, wenn es richtig ist!

Dieser Beitrag erschien zuerst 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!