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Kosmische Umwelt kann Quantenfelder stabilisieren
Quantenfelder könnten im frühen Universum in einem Vakuumzustand regelrecht festgesetzt werden. Ein Modell zeigt, dass Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung die Überlagerung verschiedener Zustände zerstören und anschließend Quantentunneln zwischen zwei Energieminima stark unterdrücken. Welche Mulde das Feld zunächst wählt, hängt dagegen vor allem davon ab, wie schnell sich das Universum im Verhältnis zur Felddynamik ausdehnt.
Trieste (Italien). In der Quantenfeldtheorie ist ein Vakuum nicht einfach leerer Raum, sondern ein Zustand, in dem ein Feld ein Minimum seiner Energie erreicht. Gibt es mehrere solche Minima, kann ein Feld in einem höheren, sogenannten falschen Vakuum verbleiben, obwohl ein energetisch tieferer Zustand existiert.
Ein bekanntes Beispiel für diese Frage ist das Higgs-Feld, dessen Vakuumwert die Eigenschaften der bekannten Elementarteilchen mitbestimmt. Berechnungen innerhalb des Standardmodells lassen zu, dass unser elektroschwaches Vakuum nur metastabil sein könnte und bei sehr großen Feldwerten ein tieferes Minimum existiert. Die neue Arbeit untersucht das Higgs-Feld allerdings nicht direkt, sondern nutzt ein vereinfachtes Modell, um grundsätzlich zu klären, wie Expansion und Umgebung die Wahl und Stabilität verschiedener Vakuumzustände beeinflussen.
Forscher der Syracuse University (SU) um Greg Kaplanek haben dafür ein skalares Quantenfeld in einer idealisiert exponentiell expandierenden Raumzeit, einem de-Sitter-Raum, modelliert. Sein Potential besitzt zwei unterschiedlich tiefe Energieminima, während weitere massive Felder als Umgebung mit dem untersuchten Feld wechselwirken. Das Team berechnete die Entwicklung sowohl für ein isoliertes Quantensystem als auch unter dem Einfluss von Dekohärenz.
Für die anfängliche Vakuumwahl ist vor allem das Verhältnis zwischen der charakteristischen Massenskala des Feldpotentials und der Hubble-Skala wichtig. Ist das Feld im Vergleich zur kosmischen Expansion schwer, kann es dem sich verändernden Potential näherungsweise adiabatisch folgen und landet mit hoher Wahrscheinlichkeit im tieferen wahren Vakuum. Bei leichten Feldern verändert sich das Potential dagegen schneller, als der Quantenzustand folgen kann, wodurch ein deutlich größerer Anteil im falschen Vakuum verbleibt.
„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 in Richtung des wahren Vakuums, des tiefsten Energieminimums“, erklärt Robson Christie von der University of Portsmouth.
Die numerischen Rechnungen zeigen zugleich, dass eine stärkere Kopplung an die Umgebung die relativen Anteile der beiden Vakuumzustände kaum verändert. Sie beschleunigt aber den Verlust der quantenmechanischen Kohärenz, sodass die anfängliche Wahl in diesem Modell hauptsächlich durch die Adiabatizität und nicht durch die Stärke der Dekohärenz bestimmt wird.
Nach der Auswahl eines Minimums ändert sich die Rolle der Umgebung, weil die Wechselwirkung mit weiteren Freiheitsgraden die kohärenten Überlagerungen zwischen beiden Vakuumzuständen abbaut. Gerade diese Kohärenz wäre nötig, damit das Feld weiterhin zwischen den Minima tunneln kann. Mit fortschreitender Expansion lokalisiert sich der Zustand deshalb immer stärker in einem der beiden Energieminima.
„Das Interessante ist, dass nicht in erster Linie die Umgebung entscheidet, wo das Feld landet. Sobald sich das Feld jedoch in einem der beiden Minima lokalisiert hat, hält die Dekohärenz es tendenziell dort. Das Tunneln in Richtung des anderen Vakuums wird stark unterdrückt“, erklärt Greg Kaplanek.
Die Forscher bezeichnen diesen Effekt als „cosmic lockdown“ und interpretieren ihn als Variante des Quanten-Zeno-Effekts. Dabei hemmt eine fortlaufende Wechselwirkung, die wie eine ständige Messung wirkt, den Übergang zwischen Quantenzuständen. Im Modell bleiben nach der Dekohärenz nur seltene stochastische Sprünge über die Energ