Higgs-Hilfe für den Urknall?

Rein mathematisch funktioniert das Szenario der Inflation also. Und es hat sich dank vieler neuer astronomischer Beobachtungen gut bewährt. Einige seiner Voraussagen wurden durch die präzise Vermessung der Hintergrundstrahlung bestätigt, keine einzige widerlegt. Doch was steckt physikalisch hinter dieser postulierten rapiden kosmischen Aufblähung? Wodurch wurde sie angetrieben? Und wieso hörte sie wieder auf?

Auch wenn sich diese Fragen bislang nicht eindeutig beantworten lassen, können Physiker mithilfe effektiver Modelle Beschreibungen formulieren. Diese sind spekulativ, aber im Rahmen der Naturgesetze begründbar und durch Messungen im Prinzip überprüfbar. Selbst wenn das Szenario insgesamt kaum falsifizierbar wäre, sind es einzelne Modellen durchaus; tatsächlich gelten manche aufgrund der genauen Daten zur Hintergrundstrahlung inzwischen bereits als widerlegt.

Die einfachste Art solcher effektiven Beschreibungen erfolgt durch die Annahme eines neuen Felds (oder auch mehrerer Felder), das die Inflation angetrieben hat. Es wird im Fachjargon Inflaton genannt. Damit das Modell funktioniert, muss es bestimmte physikalische Eigenschaften haben, etwa einen sogenannten negativen Druck sowie eine positive Energiedichte. Und es muss ein Skalarfeld sein, das an jedem Punkt im Raum eine gewisse Stärke besitzt, aber keine räumliche Ausrichtung. (Im Gegensatz dazu haben Vektorfelder neben der Stärke auch eine Richtung; dies ist etwa beim elektrischen und magnetischen Feld der Fall, deshalb gibt es Magnetfeldlinien.)

Alle Kandidaten für das Inflaton sind bislang hypothetisch – gewissermaßen eine neue Ingredienz im Universum. Für pragmatische Kosmologen genügt die Annahme vorerst. Zwar gibt es Versuche, das Skalarfeld herzuleiten oder seine Fundamente quasi tieferzulegen – es beispielsweise als Effekt grundlegenderer Größen zu erklären, etwa im Rahmen der String-Theorie –, doch dadurch wird die Sache noch komplizierter und hypothetischer.

Tatsächlich ist bislang nur ein einziges (mutmaßlich) fundamentales Skalarfeld bekannt: das Higgs-Feld. Alle anderen (mutmaßlich) grundlegenden Felder in der Physik, insbesondere in den Quantenfeldtheorien und in der Relativitätstheorie, sind Vektor- oder Tensorfelder.

Daher liegt der Gedanke nahe, dass das Higgs-Feld – das ja immerhin indirekt nachgewiesen ist via Higgs-Boson und Elektroschwacher Wechselwirkung – auch die Rolle des Inflatons spielen könnte. Also quasi ein Feld, zwei Effekte: zwei sprichwörtliche Fliegen mit einer Klappe.

Diese Idee wurde bereits von Alan Guth erwogen, der das Szenario der Inflation ab 1981 wesentlich mitbegründete. Aber sie funktionierte nicht. Allerdings könnte sie doch funktionieren, wenn man annimmt, dass das Higgs-Feld mit der Raumzeit beziehungsweise der Gravitation interagiert. Bei einer solchen nichtminimalen Kopplung kann das Higgs-Feld als Inflaton wirken. Das zeigten Fedor Bezrukov und Mikhail Shaposhnikov in einem wichtigen Artikel von 2007 und arbeiteten es in den darauffolgenden Jahren weiter aus. Sie waren damals an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne, Schweiz, später am CERN.

„Die nichtminimale Kopplung wurde anfangs ignoriert“ sagt Bezrukov, der inzwischen an der University of Manchester in England forscht. „Das kann man hinsichtlich der flachen Raumzeit auch tun. Aber genau genommen ist die Kopplung erforderlich, wenn man Quantenfeldtheorien in der gekrümmten Raumzeit analysiert, wie es für die Kosmische Inflation notwendig ist. Dann erfordern es Konsistenzgründe, dass man einen nichtminimalen Kopplungsterm in die Theorie aufnimmt. Dessen Stärke ist allerdings nicht spezifiziert. Nur bei einem ziemlich hohen Wert wäre die Higgs-Inflation möglich.“

Erweiterung der Relativitätstheorie

Inzwischen wurden über 1.000 Fachartikel zur Higgs-Inflation publiziert. Diese, so eine wichtige Erkenntnis, hängt eng mit einem Modell zusammen, mit dem Alexei Starobinsky von der Russischen Akademie der Wissenschaften in Moskau bereits 1980 den Urknall erklären wollte. Er erweiterte damals die Allgemeine Relativitätstheorie durch einen R²-Term. Dieser kann, wie sich später herausstellte, ebenfalls die Inflation bewirken. Den 2018 publizierten Messungen der Planck-Sonde zufolge passt das Modell der R²-Inflation sogar am besten zu den Eigenschaften der Kosmischen Hintergrundstrahlung.

R steht für den Ricci-Skalar, der die Raumzeit-Krümmung beschreibt und ein wesentlicher Bestandteil der Allgemeinen Relativitätstheorie ist. „Bis auf einen kinetischen Term ist die Higgs-Inflation äquivalent zu Starobinskys R²-Inflation“, sagt Seong Chan Park von der Yonsei-Universität in Seoul, Südkorea. Er hat mit seinen Kollegen seit 2008 diesen Zusammenhang ausführlich untersucht. Der R²-Term könnte sich direkt aus der nichtminimalen Kopplung des Higgs-Felds an die Gravitation ergeben. Das lässt sich mit einem zusätzlichen Skalarfeld beschreiben. Es wird Skalaron genannt, das neue Modell heißt Higgs-R²-Inflation. Es passt wie die R²-Inflation sogar noch besser zu den Daten der Kosmischen Hintergrundstrahlung als die reine Higgs-Inflation.

Die Higgs-R²-Inflation hat noch weitere Vorteile: Sie könnte die Dunkle Materie im All erklären, wenn diese aus primordialen Schwarzen Löchern besteht, argumentieren Park und sein Team. Solche winzigen Schwerkraftzentren haben sich vielleicht in oder sofort nach der Inflation gebildet. Auch der Gravitationswellen-Hintergrund, für dessen Existenz Messungen mithilfe von Pulsaren im Jahr 2023 erste deutliche Hinweise lieferten, könnte ein Relikt der Higgs-R²-Inflation sein.

„Es gibt gegenwärtig wichtige Versuche, die Teilchenphysik und die Kosmologie zu verbinden“, sagt Bezrukov. Vielleicht spielt das Higgs-Feld die entscheidende Vermittlerrolle, um den geheimnisvollen Zusammenhang von Mikro- und Makrokosmos ans Licht zu bringen – oder neu im Licht zu sehen, das aus der Zeit kurz nach dem Urknall stammt.