Das Higgs-Teilchen hätte das Universum inzwischen zerstören können – deshalb sind wir immer noch da

Obwohl unser Universum stabil erscheint, da es seit sage und schreibe 13,7 Milliarden Jahren existiert, deuten mehrere Experimente darauf hin, dass es in Gefahr ist – wir stehen am Rande einer gefährlichen Klippe. Und das alles ist auf die Instabilität eines einzigen Elementarteilchens zurückzuführen: des Higgs-Bosons.

In neue Forschung von mir und meinen Kollegen, gerade zur Veröffentlichung angenommen in Physische Buchstaben Bzeigen wir, dass einige Modelle des frühen Universums, an denen so genannte leichte primordiale Schwarze Löcher beteiligt sind, wahrscheinlich nicht richtig sind, da sie inzwischen das Higgs-Boson ausgelöst hätten, das das Ende des Kosmos bedeutet.

Das Higgs-Boson ist verantwortlich für die Masse und Wechselwirkungen aller uns bekannten Teilchen. Das liegt daran, dass Teilchenmassen eine Folge der Wechselwirkung von Elementarteilchen mit einem Feld sind, das als Higgs-Feld bezeichnet wird. Da das Higgs-Boson existiert, wissen wir, dass das Feld existiert.

Man kann sich dieses Feld wie ein vollkommen stilles Wasserbad vorstellen, in dem wir liegen. Es hat im gesamten Universum identische Eigenschaften. Das heißt, wir beobachten im gesamten Kosmos dieselben Massen und Wechselwirkungen. Diese Einheitlichkeit hat es uns ermöglicht, über mehrere Jahrtausende hinweg dieselbe Physik zu beobachten und zu beschreiben (Astronomen blicken normalerweise in die Vergangenheit).

Aber das Higgs-Feld befindet sich wahrscheinlich nicht in dem niedrigsten möglichen Energiezustand. Das heißt, es könnte theoretisch seinen Zustand ändern und an einem bestimmten Ort in einen niedrigeren Energiezustand absinken. Wenn das jedoch passiert, würde es die Gesetze der Physik dramatisch verändern.

Eine solche Veränderung würde das darstellen, was Physiker einen Phasenübergang nennen. Das passiert, wenn Wasser zu Dampf wird und dabei Blasen bildet. Ein Phasenübergang im Higgs-Feld würde auf ähnliche Weise energiearme Raumblasen mit völlig anderer Physik erzeugen.

In einer solchen Blase würde sich die Masse der Elektronen plötzlich ändern, und damit auch ihre Wechselwirkungen mit anderen Teilchen. Protonen und Neutronen – die den Atomkern bilden und aus Quarks bestehen – würden sich plötzlich lösen. Im Grunde wäre jeder, der eine solche Veränderung erlebt, wahrscheinlich nicht mehr in der Lage, sie zu melden.

Ständiges Risiko

Aktuelle Messungen von Teilchenmassen vom Large Hadron Collider (LHC) am CERN lassen vermuten, dass ein solches Ereignis möglich sein könnte. Aber keine Panik; dies könnte erst in ein paar Milliarden Jahren nach unserer Pensionierung geschehen. Aus diesem Grund sagt man in den Fluren der Teilchenphysik-Abteilungen normalerweise, das Universum sei nicht instabil, sondern „metastabil“, weil das Ende der Welt nicht so bald eintreten werde.

Um eine Blase zu bilden, braucht das Higgs-Feld einen guten Grund. Aufgrund der Quantenmechanik, der Theorie, die den Mikrokosmos aus Atomen und Teilchen beherrscht, schwankt die Energie des Higgs ständig. Und es ist statistisch möglich (wenn auch unwahrscheinlich, weshalb es so lange dauert), dass das Higgs von Zeit zu Zeit eine Blase bildet.

Anders verhält es sich jedoch bei der Nutzung externer Energiequellen wie starke Gravitationsfelder oder heißes Plasma (eine Form von Materie, die aus geladenen Teilchen besteht): Das Feld kann diese Energie nutzen, um leichter Blasen zu bilden.

Obwohl es keinen Grund zur Annahme gibt, dass im Higgs-Feld heute zahlreiche Blasen entstehen, lautet eine der großen Fragen der Kosmologie, ob die extremen Umgebungsbedingungen kurz nach dem Urknall eine solche Blasenbildung ausgelöst haben könnten.

Als das Universum jedoch sehr heiß war, war zwar Energie vorhanden, die zur Bildung von Higgs-Blasen beitragen konnte, thermische Effekte stabilisierten auch das Higgs durch Veränderung seiner Quanteneigenschaften. Daher konnte diese Hitze nicht das Ende des Universums auslösen, was wahrscheinlich der Grund ist, warum wir immer noch hier sind.

Ursprüngliche Schwarze Löcher

In unserer neuen Forschung haben wir jedoch gezeigt, dass es eine Wärmequelle gibt, die ständig solche Blasenbildung verursacht (ohne die stabilisierenden thermischen Effekte, die in den frühen Tagen nach dem Urknall zu beobachten waren). Dabei handelt es sich um primordiale Schwarze Löcher, eine Art von Schwarzen Löchern, die im frühen Universum durch den Kollaps zu dichter Raumzeitbereiche entstanden sind. Im Gegensatz zu normalen Schwarzen Löchern, die beim Kollaps von Sternen entstehen, können primordiale Schwarze Löcher winzig sein – so leicht wie ein Gramm.

Die Existenz solcher leichten Schwarzen Löcher ist eine Vorhersage vieler theoretischer Modelle, die die Entwicklung des Kosmos kurz nach dem Urknall beschreiben. Dazu gehören einige Modelle der Inflationwas darauf schließen lässt, dass das Universum nach dem Urknall enorm an Größe zunahm.

Der Beweis dieser Existenz ist jedoch mit einer großen Einschränkung verbunden: Stephen Hawking wies in den 1970er Jahren nach, dass Schwarze Löcher aufgrund der Quantenmechanik langsam verdunsten, indem sie Strahlung durch ihren Ereignishorizont (einen Punkt, an dem nicht einmal Licht entweichen kann) aussenden.

Hawking zeigte, dass sich Schwarze Löcher wie Wärmequellen im Universum verhalten, mit einer Temperatur umgekehrt proportional zu ihrer Masse. Das bedeutet, dass leichte Schwarze Löcher viel heißer sind und schneller verdampfen als massereiche. Insbesondere wenn sich im frühen Universum primordiale Schwarze Löcher gebildet hätten, die leichter als ein paar tausend Milliarden Gramm waren (10 Milliarden Mal kleiner als die Masse des Mondes), wie viele Modelle vermuten lassen, wären sie inzwischen verdampft.

Im Vorhandensein des Higgs-Feldeswürden sich solche Objekte wie Verunreinigungen in einem kohlensäurehaltigen Getränk verhalten: Sie würden der Flüssigkeit bei der Bildung von Gasbläschen helfen, indem sie über die Wirkung der Schwerkraft (aufgrund der Masse des Schwarzen Lochs) und der Umgebungstemperatur (aufgrund seiner Hawking-Strahlung) zu ihrer Energie beitragen.

Wenn primordiale Schwarze Löcher verdampfen, Sie erhitzen das Universum lokal. Sie würden sich inmitten von Hotspots entwickeln, die viel heißer als das umgebende Universum, aber immer noch kälter als ihre typische Hawking-Temperatur sein könnten. Mit einer Kombination aus analytischen Berechnungen und numerischen Simulationen haben wir gezeigt, dass diese Hotspots aufgrund ihrer Existenz ständig zu Blasenbildung im Higgs-Feld führen würden.

Aber wir sind immer noch hier. Das bedeutet, dass es höchst unwahrscheinlich ist, dass solche Objekte jemals existiert haben. Tatsächlich sollten wir alle kosmologischen Szenarien ausschließen, die ihre Existenz vorhersagen.

Das gilt natürlich nur, wenn wir in Form von Strahlung oder Gravitationswellen Hinweise auf ihre frühere Existenz entdecken. Wenn das der Fall ist, könnte das noch spannender werden. Das würde bedeuten, dass es etwas gibt, das wir über das Higgs-Teilchen noch nicht wissen; etwas, das es vor dem Aufsteigen von Blasen in Gegenwart verdampfender primordialer Schwarzer Löcher schützt. Dabei könnte es sich tatsächlich um ganz neue Teilchen oder Kräfte handeln.

So oder so ist klar, dass es über das Universum im kleinsten und im größten Maßstab noch viel zu entdecken gibt.

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