Jörn Müller

Jörn Müller

14.06.2017
Publiziert in News

Expansion des Universums, negativer Druck des Vakuums und Energieerhaltung

Ich möchte versuchen, ein wenig zur Klärung obiger Begriffe beizutragen, da im Forum immer wieder Fragen hierzu auftreten. Ausgangslage in der modernen Kosmologie:

Wir postulieren:

1.) Auf großen Skalen ist unsere Position im Universum durch nichts ausgezeichnet (sog. Kopernikanisches Prinzip)

2.) Das Universum sieht in alle Richtungen betrachtet gleich aus (wiederum auf ausreichend großen Skalen)

3.) Auf großen Skalen ist die vorherrschende Kraft im Universum die Gravitation, d.h. insbesondere, die Dynamik des Universums kann durch die Allgemeine Relativitätstheorie

beschrieben werden. (Die Reichweite der beiden Kernkräfte ist zu kurz und die elektromagnetische Kraft hebt sich auf großen Skalen durch gleich viele positive wie negative

Ladungen weg.) ...

02.07.2017
Publiziert in News

Der kosmische Mikrowellenhintergrund (Teil I)

Frage: Kann man die Hintergrundstrahlung sehen? Antwort: Nein, denn unsere Augen sind für die im Mikrowellenbereich liegenden Wellenlängen dieser Strahlung nicht empfindlich. Doch wer noch ein „altes“ Fernsehgerät besitzt und das Fernsehprogramm analog mit einer Dipolantenne empfängt, der „sieht“, wenn der Tuner auf eine Frequenz zwischen zwei Fernsehkanälen eingestellt ist, auf dem Schirm eine Art Schneegestöber. Zu 99 Prozent ist dieses sogenannte „Weiße Rauschen“ thermischer Natur und wird von den Elektronen in den Bauteilen des Geräts verursacht. Der Rest aber stammt von den 400 Photonen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, die in jedem Kubikzentimeter des Universums herumschwirren. Was es mit diesen Photonen auf sich hat und woher sie stammen, soll im Folgenden untersucht werden.

15.06.2017
Publiziert in News

 

Kosmische Inflation auf dem Prüfstand

Die Zweifel mehren sich. Gab es die kosmische Inflation, die das Universum in der kurzen Zeitspanne von 10-32 Sekunden um einen Faktor von mindesten 1030 aufgebläht haben soll, wirklich? Was im Rahmen des kosmologischen Standardmodells die inflationäre Expansion – zumindest bislang – so unangreifbar macht, ist die Tatsache, dass damit einige Gegebenheiten des Kosmos, die unter der Annahme eines linearen Größenwachstums nicht erklärbar sind, zwangsläufig zustande gekommen sein müssen. Dazu gehören insbesondere die Gleichförmigkeit (Isotropie) der kosmischen Hintergrundstrahlung sowie die Lösung des Flachheits- und des Horizontproblems. Ferner erklärt die Inflations-Hypothese die Entstehung der Dichtefluktuationen, aus denen sich die großräumigen Strukturen entwickelt haben, indem die extreme Expansion ursprüngliche Quantenfluktuationen des Inflatonfeldes auf makroskopische Größe gedehnt haben soll. Im Rahmen des Urknallmodells scheint somit die kosmische Inflation eine zwar unbewiesene, aber unverzichtbare Hypothese zu sein. 

Nichtsdestotrotz zeigt die Hypothese der exponentiellen Expansion deutliche Schwächen. Nach Meinung einiger Kosmologen passt das Muster der

Hintergrundstrahlung nicht zur postulierten exponentiellen Expansion.  Insbesondere vermisst man in der Hintergrundstrahlung einen „Fingerabdruck“ von den Gravitationswellen, welche die enorme Expansion ausgelöst haben müsste.

In letzter Zeit beschäftigen sich daher einige Kosmologen mit der Entwicklung alternativer Modelle. Einiges, was da angedacht wird, ist z.B. in der Zeitschrift „Spektrum der Wissenschaft“, Heft 6.17, nachzulesen. Vor kurzem wurde auch über Experimente berichtet, die geeignet erscheinen, die Inflationshypothese entweder zu bestärken oder weiter in Zweifel zu ziehen. Das Experiment beruht auf der Idee, wie zum Higgsfeld ein Teilchen gehört, das Higgs-Teilchen, auch zum Inflatonfeld ein Teilchen gehören muss, das Inflaton. Im Prinzip sind diese Teilchen nichts anderes als angeregte Zustände des jeweiligen Feldes und somit nachweisbar. 

Im Rahmen von Modellen, die sogenannte versteckte Teilchenbereiche (Hidden Dark Sector Model) thematisieren, haben Forscher am LHC (Large Hadron Collider) in Zusammenarbeit mit der dortigen LHCb-Collaboration (eine Gruppe, die sich vornehmlich mit Teilchenzerfällen beschäftigt, die ein bottom-Quark enthalten) nach einem langlebigen Skalar-Teilchen, d.h. einem Teilchen mit Spin = 0, gesucht, das als das Inflaton-Teilchen des Inflatonfeldes angesehen werden kann. Dabei bezieht sich der Begriff „Hidden Dark Sector“ auf Bereiche, die neuartige, leichte, schwach gebundene Teilchen umfassen, die nicht mit den drei bekannten Fundamentalkräften, der starken, der schwachen und der elektromagnetischen Wechselwirkung, interagieren. In der Natur kommen viele dieser Hidden Dark Sector(en) vor, alle mit individueller Struktur und individuellen Teilchen. Dazu gehören beispielsweise auch die vermuteten Dunkle-Materie-Teilchen. Möglicherweise führt die Erforschung derartiger Teilchen sogar zu einer neuartigen Physik.

Um dem besagten Inflaton auf die Spur zu kommen, haben die Forscher am LHC  durch Proton-Proton-Kollisionen erzeugte B+-Mesonen untersucht (das B steht für den Begriff „beauty“). Diese Mesonen bestehen aus einem up- und einem Antibottom-Quark. Wie Bild 1 zeigt, zerfällt das B+-Meson in ein Kaon K+ und ein ?-Teilchen, das gesuchte hypothetische Inflaton. Bei diesem Prozess koppelt das Inflaton über ein Higgs-Boson an ein top-Quark, das seinerseits über ein W--Boson den Übergang des B+-Mesons in das K+-Kaon vermittelt. Anschließend zerfällt das ?-Teilchen in ein Myon µ- und ein Anti-Myon µ+ (siehe Bild 1). 

urknall weltall leben kosmische inflation auf dem pruefstand Bplus Zerfall Feynman Diagramm 

Bild 1: Feynman-Diagramm des Zerfalls des Beauty-Mesons
(Quelle: Physical Review D 95, 071101(R) (2017))

Entsprechend der Theorie soll die Lebensdauer des ?-Teilchens im Bereich von 0,1 bis etwa 1000 Picosekunden und seine Masse im Bereich von  250 bis 4700 MeV/c2 liegen. Erfolgt der Zerfall entsprechend Bild 1, so sollte sich das in einem Überschuss von Myonen und Anti-Myonen über den erwarteten allgemeinen Myonen-Hintergrund bemerkbar machen. 

Wie die Forscher berichten, haben die Untersuchungen jedoch kein derartiges „Überschuss-Signal“ geliefert. Das muss nicht heißen, dass es das Inflaton nicht gibt. Vielleicht hat es ja eine Masse jenseits des untersuchten Bereichs von  250 bis 4700 MeV/c2. Dennoch schränkt das Ergebnis die Theorie der Existenz eines skalaren Inflatons stark ein. 

Muss man nun nach einer neuen Theorie hinsichtlich der inflationären Expansion des Kosmos suchen? Vielleicht ja. Doch solange man kein neues, schlüssiges Konzept vorweisen kann, sollte man die alte Theorie nicht verdammen. In Ermangelung einer besseren Alternative bleibt das Urknallmodell und die exponentielle Expansion das bevorzugte Konzept zur Erklärung der kosmologischen Entwicklung. In diesem Sinne soll der Kosmologe Alan Guth gesagt haben: Die Inflation, wenn sie denn wahr ist, ist nicht das Ende der Erforschung der kosmischen Ursprünge, sondern nur ihr Anfang.  

 

28.04.2017
Publiziert in News

Das Neutrino ist ein sehr seltsames Teilchen. Eigentlich gibt es dieses Elementarteilchen in drei Ausführungen: als Elektron-Neutrino, Myon- und Tau-Neutrino zusammen mit deren Antiteilchen. Der Physiker Wolfgang Pauli war der Erste, der die Existenz dieses Teilchens vorhergesagt hat. Anhand der Beobachtung, dass die kinetische Energie des beim Beta-Zerfall eines Atomkerns freiwerdenden Elektrons nicht einheitlich ist, sondern in einem weiten Energiebereich schwankt, postulierte er, dass neben dem Elektron noch ein weiteres, nicht sichtbares Teilchen emittiert wird, das einen Teil der Energie übernimmt.