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Was die Quintessenz-Modelle mit dem Higgs zu tun haben

Ein exotisches Feld

Ein weiterer Erklärungsansatz für die Dunkle Energie hat einiges mit dem Higgsfeld gemeinsam – dem Mechanismus, der aller Materie ihre Masse verleiht. Denn dabei handelt es sich um ein Skalarfeld, das das gesamte Universum durchzieht und an jedem Punkt einen bestimmten Wert hat. Im Falle der Dunklen Energie sprechen Forscher von einem Quintessenzfeld – benannt nach dem geheimnisvollen „fünften Element“, aus dem nach Pythagoras die vier Grundelemente Wasser, Luft, Feuer und Erde einst hervorgingen.

Dunkle Energie als ein Skalarfeld im Kosmos? © gemeinfrei

Der Quintessenz-Hypothese nach interagiert das Feld der Dunklen Energie ähnlich wie das Higgsfeld mit der Materie. Es verleiht dieser aber keine Masse, sondern wirkt stattdessen der Schwerkraft entgegen. Im Unterschied zu einer Grundeigenschaft des Raumes oder der Vakuumenergie kann das Quintessenzfeld aber an verschiedenen Stellen des Weltalls unterschiedliche Werte annehmen und sich auch mit der Zeit verändern. Diese Veränderungen müssten sich durch Beobachtungen nachweisen lassen, hoffen die Vertreter der Quintessenz-Modelle.

Ein Feld „friert“ aus

So könnte dieses Feld im frühen Universum einen Phasenübergang durchlebt haben: Als sich das Universum 2,2 Milliarden Jahre nach dem Urknall deutlich abkühlte, „fror“ auch das Feld aus. Seine Energiedichte sank dadurch abrupt von einem sehr hohen Niveau auf sein heutiges, eher niedriges ab. Dieser Phasenübergang und die dabei freigesetzte Energie müssten messbare Spuren hinterlassen haben, wie Robert Scherrer von der Vanderbilt University und Stephen Tsu von der University of Oregon postulieren.

Denn weil die Stärke des Quintessenzfelds damals abrupt abnahm, müsste auch die Expansion vor rund elf Milliarden Jahren messbar verlangsamt worden sein. Um dies aber nachzuprüfen, reicht die Blicktiefe des Dark Energy Survey nicht aus – er schaut nur rund acht Milliarden Jahre zurück.

Ultrakalte Neutronen zwischen zwei Platten als Messhilfe für Gravitationseffekte © TU Wien

Neutronen als Messfühler

Eine andere Möglichkeit, ein Quintessenzfeld nachzuweisen, sind Experimente, die im kleinsten statt im Größten nach Wirkungen der Dunklen Energie suchen. Eines davon erbrachte im April 2014 Ergebnisse, die den Spielraum für die Quintessenz-Modelle deutlich verkleinern. In diesem Experiment untersuchten Forscher um Hartmut Abele von der TU Wien mit Hilfe ultrakalter Neutronen, ob und in welchem Maße ein dieses hypothetische Feld die Wirkung der Gravitation auf diese Elementarteilchen beeinflusst.

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Dabei werden die heruntergekühlten Neutronen zwischen zwei horizontale Platten gebracht. Neutronen in diesem Zustand nur diskrete Quantenzustände einnehmen. Wirkt neben der Gravitation noch ein unbekanntes Feld auf die Teilchen ein, dann müssten ihre Zustände winzige Abweichungen von dem theoretisch Vorhergesagten aufweisen. Die Messungen ergaben jedoch bisher keine Hinweise auf eine solche Wechselwirkung.

„Wir haben keine Abweichungen von den etablierten Newtonschen Gesetzen der Schwerkraft detektiert“, berichtet Studienleiter Hartmut Abele von der TU Wien. Das bedeutet auch, dass der Bereich, in dem sich diese rätselhaften Feldwirkungen noch verbergen könnten, damit erheblich verkleinert wird. Die neuen Daten senken die in bisherigen Messungen festgestellte Obergrenze um das mehr als Zehntausendfache ab, wie die Forscher berichten. Damit ist das Quintessenzfeld zwar nicht vom Tisch, aber es wird weniger wahrscheinlich.

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Nadja Podbregar
Stand: 02.05.2014

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

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