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Lexikon der Astronomie: DGP-Szenario

Das DGP-Szenario ist ein Branenmodell, das nach den Erfindern Dvali, Gabadadze und Porrati benannt wurde. Wie in allen Branenmodellen, wird eine höherdimensionale Welt, der so genannte Bulk angenommen, d.h. es gibt räumliche Extradimensionen.

Motivation von mehr Raum

Die Motivation für einen solch verwegen anmutenden Vorschlag ist die beobachtete Eigenschaft der Gravitation, dass sie viel schwächer ist, als die anderen drei physikalischen Grundkräfte (elektromagnetische Kraft, schwache Kraft, starke Kraft). Dieses Phänomen wird mit dem Begriff Hierarchieproblem betitelt. Das Problem kann dadurch gelöst werden, dass man mehr Raumdimensionen einführt und dass man annimmt, dass nur die Gravitation in diesen Bulk kommen kann, nicht jedoch die anderen Naturkräfte. Freilich handelt man sich mit der eleganten Lösung etwas vollkommen Neues ein: mehr Raum! Leider wird dieses Szenario nicht die schlechte Wohnungssituation in Großstädten entschärfen können, weil Mieter Objekte des Standardmodells sind.

Eigenschaften des DGP-Modells

Sowohl Bran als auch Bulk haben im DGP-Szenario den Charakter der Minkowski-Metrik, d.h. die Raumzeiten sind flach, wie in der Speziellen Relativitätstheorie (SRT). Der entscheidende Unterschied ist, dass die Welt der SRT vierdimensional (4D) ist, aber der Bulk im DGP-Modell 5D ist – es gibt also eine Extradimension mehr. Die Raumzeit der Bran ist hingegen 4D wie in der SRT, weil die Bran (eine 3-Bran) ein Unterraum des Bulks ist. Die Extradimension ist von der Größe her unendlich ausgedehnt, d.h. sie ist nicht kompaktifiziert. Die 4D-kosmologische Konstante wurde vereinfachend null gesetzt.

Was leistet das DGP-Modell?

Dieses Bulk-Branenmodell gewährleistet den Übergang zur gewöhnlichen Newtonschen Gravitation in 4D auf der Bran. Genauer gesagt vermitteln bei kleinen Abständen die 4D-Gravitonen, die in diesem Szenario auftreten, das klassische 4D-Newton-Potential mit dem charakteristischen 1/r-Abfall. Bei großen Abständen hingegen wird ein entsprechend modifiziertes 5D-Potential bedeutsam, das mit 1/r2 skaliert. Das DGP-Modell sagt also voraus, dass eine modifizierte Gravitation (engl. modified gravity) bei großen Längenskalen einsetzt.

Bei welcher Längenskala verändert sich die Gravitation?

Die Übergangslängenskala r0 ist im Modell ein freier Parameter und hängt von der 5D-Planck-Masse (im Bulk) und der 4D-Planck-Masse (auf der Bran) ab. Die klassische (4D-)Planckskala liegt bei etwa 1019 GeV. Nimmt man für den Bulk eine reduzierte Planckskala von 1 TeV an, so liegt die Übergangslängenskala gerade im Bereich der Größe des Sonnensystems (r0 ~ 1015 cm). Das würde bedeuten, dass für kosmisch deutlich größere Distanzen, die einige 10 bis 100 Astronomische Einheiten deutlich übersteigen, die Modifikation des Newtonschen Gravitationspotentials zu einem 1/r2-Verhalten auftreten sollte. Das wird astronomisch jedoch nicht beobachtet! Entsprechend muss man (im Rahmen dieses speziellen Modells) schließen, dass die Übergangslängenskala um viele Größenordnungen größer bzw. die 5D-Planck-Masse entsprechend deutlich kleiner sein muss, als die TeV-Skala – vielleicht um das 100 bis 1000fache.
Alternativ dazu ist denkbar eine Kompaktifizierung der Extradimensionen zuzulassen. Das geschieht beispielsweise im ADD-Szenario, und es zeigt sich, dass dann eine reduzierte Planck-Skala im TeV-Bereich möglich wäre.

weitere Branenmodelle

Neben dem DGP-Modell gibt es weitere Branenmodelle in der modernen Hochenergiephysik. In jedes Modell gehen unterschiedliche Eigenschaften des Bulk-Branen-Systems und Voraussetzungen ein. Prominente Modelle sind das ADD-Szenario, die Randall-Sundrum-Modelle und das Zyklische Universum.

Originalveröffentlichungen

  • Dvali, G., Gabadadze, G. & Porrati, M.: Metastable gravitons and infinite volume extra dimensions, Phys. Lett. B 484, 112, 2000
  • Dvali, G., Gabadadze, G. & Porrati, M.: 4D gravity on a brane in 5D Minkowski space, Phys. Lett. B 485, 208, 2000

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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