Interferometer im Weltraum liefert neue Erkenntnisse für die Wissenschaft
Phasenübergänge sind in der Natur allgegenwärtig. Zwei Beispiele für dieses physikalische Phänomen sind die Verdampfung von kochendem Wasser oder Supraleitfähigkeit. Aber auch im Weltraum findet sich das faszinierende Phänomen, wenn etwa ganze Regionen des Universums in einen anderen Grundzustand übergehen. Schwerpunkt des EU-finanzierten Projekts EWPTBSM (The electroweak phase transition beyond the Standard Model) waren kosmologische Phasenübergänge erster Ordnung, also Prozesse, bei der in der metastabilen Phase zuerst eine Keimbildung in Blasen stattfindet, die dann größer werden und schließlich kollidieren. Diese Ereignisabfolge ist ein interessantes Forschungsthema, das sich mit der Laserinterferometer-Raumantenne ELISA (evolved laser interferometer space antenna) hervorragend untersuchen lässt. So prüfte das Team, wie sich mit optimalen experimentellen Konfigurationen Gravitationswellen detektieren lassen, die aus Phasenübergängen erster Ordnung hervorgehen. Die Phasenübergänge erster Ordnung wurden für viele Szenarien berechnet und gingen über das Standardmodell der Teilchenphysik hinaus. Sie stehen in Zusammenhang mit der beobachteten Baryon-Asymmetrie, dunkler Materie oder können Nebenprodukt eines erweiterten Skalarsektors sein. Die Schlussfolgerungen der EWPTBSM-Studie hängen wesentlich von der experimentellen Konfiguration ab, jedoch wurde von den Wissenschaftlern auch der Einfluss von Blasenkollisionen, magnetohydrodynamischen Turbulenzen und Schallwellen auf das stochastische Hintergrundrauschen bei Gravitationswellen berechnet. Die räumlich definierte Sensitivität von Gravitationswellen auf kosmologische Phasenübergänge wurde modellunabhängig für verschiedene Detektorentwürfe berechnet. Durch Anwendung der Ergebnisse auf bestimmte Modelle konnten Szenarien über das Standardmodell hinaus untersucht und Phasenübergänge im frühen Universum ermittelt werden. Derzeit läuft in der Europäischen Weltraumorganisation eine Designstudie zur wissenschaftlich optimalen Konfiguration von ELISA. Dabei wird jede mögliche Konfiguration auf ihr wissenschaftliches Potenzial hin analysiert und geprüft, und die Ergebnisse von EWPTBSM werden Maßstäbe zur Berechnung des Gravitationswellenspektrums setzen.
Schlüsselbegriffe
Standardmodell, EWPTBSM, kosmologische Phasenübergänge, ELISA, Gravitationswellen
