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Warum könnte das frühe Universum in einem Vakuumzustand gefangen sein?
Quantenfelder könnten in einem einmal erreichten Energiezustand stärker festgehalten werden als bisher angenommen. Ein neues Modell zeigt, dass Wechselwirkungen mit der Umgebung nach der Auswahl eines Vakuums das Quantentunneln stark unterdrücken können. Der Effekt könnte erklären, warum auch ein höherenergetisches falsches Vakuum lange stabil bleibt, gilt bislang aber nur für ein vereinfachtes kosmologisches Szenario.
Portsmouth (England). Das Vakuum ist in der Quantenphysik nicht einfach leerer Raum, sondern bezeichnet einen Zustand, in dem ein Feld in einem Minimum seiner Energie liegt. Besitzt das zugrunde liegende Energieprofil mehrere Minima, kann ein Feld in einem höheren lokalen Minimum verharren, obwohl anderswo ein tieferer Zustand existiert. Ein solcher Zustand wird als falsches Vakuum bezeichnet.
Nach der Quantenmechanik kann ein Feld eine Energiebarriere grundsätzlich durchtunneln und so von einem Minimum in ein anderes wechseln. In kosmologischen Rechnungen wird dieser Vorgang oft für ein weitgehend isoliertes Feld betrachtet, obwohl Felder tatsächlich mit anderen Freiheitsgraden ihrer Umgebung wechselwirken. Genau diese Kopplung könnte den möglichen Übergang entscheidend verändern.
Forscher der Syracuse University um Greg Kaplanek haben nun mit einem vereinfachten Modell untersucht, wie sich ein skalares Quantenfeld mit zwei unterschiedlich tiefen Energieminima während einer inflationären Expansion entwickelt. Das Feld wurde dabei mit einer Umgebung aus zusätzlichen sogenannten Spektatorfeldern gekoppelt, bevor das Team daraus Gleichungen für ein offenes Quantensystem ableitete und die Dynamik numerisch löste.
Für die erste Auswahl zwischen wahrem und falschem Vakuum ist dem Modell zufolge vor allem das Verhältnis zwischen der Eigendynamik des Feldes und der Hubble-Skala entscheidend. Schwere Felder können der Veränderung durch die Expansion eher folgen und landen mit hoher Wahrscheinlichkeit im tieferen Minimum, während bei leichten Feldern eine deutlich größere Besetzung des falschen Vakuums zurückbleiben kann.
„Ein Feld, das im Vergleich zur Hubble-Skala schwer ist, kann sich schnell an die Veränderungen anpassen, während sich das Universum ausdehnt, und in diesem Fall bewegt es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit zum wahren Vakuum, dem tiefsten Energieminimum. Wenn die Expansion im Vergleich zur Dynamik des Feldes zu schnell ist, kann das System mit den Veränderungen nicht Schritt halten. In diesem Fall kann eine beträchtliche Wahrscheinlichkeit bestehen bleiben, dass das Feld auch im falschen Vakuum endet“, erklärt Dr. Robson Christie von der University of Portsmouth.
Die Kopplung an die Umgebung beeinflusst nach den Berechnungen nur wenig, welches der beiden Minima zunächst gewählt wird, doch ihre wichtige Rolle beginnt später. Durch die Wechselwirkung geht die kohärente Überlagerung der möglichen Feldzustände verloren, ein als Dekohärenz bezeichneter Vorgang, der das System zunehmend so erscheinen lässt, als hätte es sich auf einen bestimmten Zustand festgelegt.
Ist das Feld einmal in einem der Minima lokalisiert, wird das Tunneln zum anderen Minimum im Modell stark unterdrückt. Die Forscher deuten dies als Variante des Quanten-Zeno-Effekts, bei dem fortlaufende Wechselwirkungen Informationen über den Zustand eines Quantensystems in die Umgebung tragen und weitere Übergänge hemmen können. Das Team bezeichnet diesen stabilisierenden Mechanismus als „cosmic lockdown“.
„Interessant ist, dass nicht in erster Linie die Umgebung darüber entscheidet, wo das Feld landet. Sobald sich das Feld jedoch in einem der beiden Minima lokalisiert hat, hält die Dekohärenz es tendenziell dort fest. Das Tunneln zum anderen Vakuum wird stark unterdrückt“, erklärt Greg Kaplanek.
Die Rechnungen zeigen zugleich eine klare Grenze des Modells, denn die untersuchten Felder werden als Spektatoren in einem idealisierten de-Sitter-Raum behandelt. Ihre Rückwirkung auf die Geometrie und räumliche Gradienten innerhalb des betrachte