Wie kurz nach dem Urknall

Das Universum in seinen ersten Millisekunden: Kurz nach dem Urknall dehnte sich das Universum in einem Zustand jenseits des thermo­dynamischen Gleich­gewichts extrem schnell aus. Fluktua­tionen bei der Symmetrie­brechung des Higgsfelds sollen dabei Auswir­kungen auf die Masse­verteilung des Universums gehabt haben. Eine Konstanzer Gruppe von Physikern um Peter Keim analy­sierte nun die Mechanismen dieser Struktur­bildung bei Phasen­übergängen von Materie außerhalb des thermo­dynamischen Gleichgewichts.

Als Modellsystem nutzten sie hierfür weiche Materie, ein Kolloidsystem aus Teilchen, die in einer Flüssigkeit fein verteilt sind. Den Konstanzer Physikern gelang es dabei, erstmalig das algebraische Skalenverhalten nachzuweisen, das der Kibble-Zurek-Mechanismus vorhergesagt hatte.

„In der Thermodynamik sind alle Größen typischerweise nur im Gleichgewicht formuliert. Wir haben uns nun explizit Nicht-Gleichgewichts-Phasenübergänge angeschaut“, erläutert Peter Keim. Der Physiker interessierte sich dabei insbesondere für Effekte gemäß dem Kibble-Zurek-Mecha­nismus. Dieses physika­lische Modell beschreibt die Entwicklung topolo­gischer Defekte in Systemen außerhalb des thermo­dynamischen Gleich­gewichts bei einem Phasen­übergang zweiter Ordnung. Der Kibble-Zurek-Mechanismus ist damit zugleich ein Modell für die Strukturbildung des Universums kurz nach dem Urknall bei der spontanen Symmetrie­brechung des Higgs­felds. Eine besondere Aufmerk­samkeit widmete Keim der Frage, wie bei dieser Struktur­bildung die „Kommunikation“ zwischen weit entfernten Regionen abläuft. „Der maximale ‚Kommuni­kations­radius‘ ist hierbei durch den Einsteinschen Ereignis­horizont gesetzt, bedingt durch die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit“, erklärt Keim.

Als Modellsystem für seine Untersuchungen nutzte Peter Keim zwei­dimen­sionale Schichten von Kolloid­teilchen. „Wir können den Urknall ja nicht im Labor nachmachen“, verdeutlicht Keim augen­zwinkernd. Prämisse der Physik ist, dass die grundlegenden natur­wissen­schaftlichen Gesetzte universell, das heißt zu allen Zeiten und an allen Orten identisch sind. Somit lassen sich an Kolloid­systemen dieselben physikalischen Phänomene untersuchen, die der Kibble-Zurek-Mechanismus beschreibt und die vermutlich in den ersten Milli­sekunden nach dem Urknall auftraten. Kolloid­systeme haben gegenüber vielen anderen Systemen den Vorteil, dass sie sich aufgrund ihrer Größe von rund fünf Mikrometern besser beobachten lassen.

Keim und seine Arbeitsgruppe kühlten diese Kolloidsysteme mit unter­schied­lichen Raten ab und beobachteten die auftretenden Phasen­übergänge mittels Video-Mikroskopie in ununter­brochenen Messungen von bis zu zwanzig Tagen. Auf diese Weise konnten sie das Verhalten von Defekten und Domänen mit hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung bestimmen, was in der Kosmologie sowie auf atomarer Ebene nur schwer möglich ist. Die Physiker konnten dabei erstmalig das algebra­ische Skalen­verhalten gemäß dem Kibble-Zurek-Mechanismus nachweisen. Dieses Skalen­verhältnis gibt unter anderem an, welche mittlere Größe die Domänen bei ihrer Abkühlung als Funktion der Kühlrate annehmen.

U. Konstanz / OD