Die Geburt des Universums

Wie ist das Universum entstanden?

Steckt die Teilchenphysik in einer Krise? Keith Baker, Physiker an der Thomas Jefferson National Accelerator Facility, sieht darin eine Gelegenheit, neue Phänomene zu beschreiben.
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Modernen Theorien der kosmischen Entwicklung zufolge begann das Universum mit einer einmaligen Explosion, gefolgt von einem Ausbruch inflationärer Expansion. Um die Inflation zu verstehen, sind Durchbrüche in unserem Verständnis der fundamentalen Physik, der Quantengravitation und der ultimativen einheitlichen Theorie erforderlich. Obwohl die Bedingungen der Inflation zu energiereich sind, um sie auf der Erde reproduzieren zu können, können wir ihre Signaturen beobachten, die sich über die Äonen hinweg in den Materierelikten erhalten haben, die wir noch aus dieser Zeit nachweisen können.
Nach der Inflation waren die Bedingungen des frühen Universums noch so extrem, dass sie Elementarteilchen zu neuen Materiephasen verbinden konnten. Als sich das Universum ausdehnte und abkühlte, kam es zu Übergängen, bei denen die Materie von einer Phase in eine andere überging, so wie Dampf zu Wasser kondensiert. Einige dieser Phasenübergänge waren möglicherweise die dramatischsten Ereignisse in der kosmischen Geschichte, die die Entwicklung des Universums prägten und Relikte hinterließen, die heute noch zu beobachten sind. Kosmische Phasenübergänge könnten in Experimenten mit Hochenergiebeschleunigern nachgebildet werden.

Werkzeuge für eine wissenschaftliche Revolution

Nach den derzeitigen Theorien der kosmischen Entwicklung beginnt das Universum mit einer „Anfangssingularität“, einem Punkt, an dem alle bekannten physikalischen Gesetze zusammenbrechen. Diese Singularität hat ein fein ausbalanciertes Universum hervorgebracht, wie ein Bleistift, der so präzise auf seiner Spitze ausbalanciert ist, dass er 14 Milliarden Jahre lang aufrecht bleibt. Wie konnte das Universum einen solchen Zustand erreichen? Wie konnte es so alt werden? Warum ist es nicht noch weiter auseinandergesprengt oder auf sich selbst zurückgestürzt?

In den letzten zwei Jahrzehnten hat die Theorie der kosmischen Inflation eine überzeugende Erklärung für den Beginn des Urknalls geliefert. Nach dieser Theorie führte eine frühe Phase der beschleunigten Expansion zu dem ausgewogenen Universum, das wir heute sehen. Die kosmische Inflation ist die Hand, die den Bleistift auf seiner Spitze ausbalanciert hat. Als Nebenprodukt brachte sie auch die Samen hervor, die sich zu Sternen, Galaxien, Galaxienhaufen und anderen Strukturen im Universum entwickelten.

Die kosmische Inflation birgt Herausforderungen im Zusammenhang mit den grundlegenden Fragen dieses Berichts. Eine Möglichkeit ist, dass die kosmische Inflation durch eine Form von dunkler Energie entstanden ist, ähnlich der heute beobachteten dunklen Energie. Wenn ja, welche Art von Materie hat sie hervorgebracht? Spielt diese Form der Materie eine Rolle bei der Vereinheitlichung? Wie hängt sie mit den zusätzlichen Dimensionen zusammen? Noch radikaler ist die Möglichkeit, dass Raum und Zeit ihre Natur zu Beginn des Urknalls verändert haben. Kann die Stringtheorie die Anfangssingularität glätten? Welches Modell hat die Natur wirklich gewählt?

Gegenwärtig liefern Messungen von Fluktuationen im kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB), insbesondere von WMAP, den besten Beweis für die Inflation. Die Einschränkungen der kosmischen Parameter, wie die Krümmung des Universums und die Natur der kosmischen Struktur, stimmen weitgehend mit den Vorhersagen der Inflationstheorie überein. Schließlich könnten Messungen der Polarisation des CMB den Nachweis der Signaturen von Gravitationswellen ermöglichen, die während der Epoche der Inflation erzeugt wurden, was Informationen über die Natur des Skalarfeldes liefern könnte, das die Inflation hervorgerufen hat.

Nach dem Urknall dehnte sich das Universum aus und kühlte ab, um seinen heutigen Zustand zu erreichen. Dabei durchlief das Universum eine Reihe von Phasenübergängen, bei denen verschiedene Teilchen ausfroren, so wie Wasser zu Eis wird, wenn es abkühlt. Diese Phasenübergänge haben einige der wichtigsten Epochen der kosmischen Geschichte bestimmt. So könnte beispielsweise ein Phasenübergang der Grund für die kosmische Inflation gewesen sein. Phasenübergänge könnten „kosmische Defekte“ wie Strings und Texturen und andere exotische Formen von Materie hervorbringen, die ultrahochenergetische kosmische Strahlung, dunkle Materie und vielleicht sogar dunkle Energie erklären könnten.

Experimente am LHC werden weiterhin den elektroschwachen Phasenübergang beleuchten, bei dem die meisten der bekannten Teilchen ihre Masse erhalten haben. Ein besseres Verständnis dieses Phasenübergangs wird es den Wissenschaftlern ermöglichen, dem Urknall selbst näher zu kommen. In der Tat ist es wahrscheinlich, dass der elektroschwache Phasenübergang die eigentliche Ursache für die Materie-Antimaterie-Asymmetrie ist, die wir heute im Universum sehen. Die Entdeckung neuer Teilchen und neuer Wechselwirkungen wird diese Geschichte erhellen und zeigen, ob sie richtig ist. Darüber hinaus muss die Darstellung der kosmischen Entwicklung alle Entdeckungen neuer Symmetrien oder neuer Dimensionen einbeziehen.

Der derzeit am intensivsten untersuchte kosmische Phasenübergang ist mit der Quantenchromodynamik (QCD), der Theorie der Kernkraft, verbunden. Während des QCD-Phasenübergangs kondensierte die baryonische Materie im heutigen Universum aus einem plasmaartigen Zustand von Quarks und Gluonen. In der Anlage Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) am BNL werden derzeit Kollisionen von schweren Ionen erzeugt, um das Quark-Gluon-Plasma zu untersuchen; das ALICE-Experiment am LHC untersucht das Quark-Gluon-Plasma bei höheren Energien und Temperaturen. Die Lattice Computational Facilities werden Berechnungen ermöglichen, die das Verständnis der RHIC-Daten und der Bedingungen während dieser Epoche in der Entwicklung des frühen Universums fördern.