Das Standardmodell der Kosmologie sagt uns, dass nur 4,9% des Universums aus gewöhnlicher Materie bestehen (d. h. aus dem, was wir sehen können), während der Rest aus 26,8% dunkler Materie und 68,3% dunkler Energie besteht. Wie die Namen vermuten lassen, können wir sie nicht sehen, daher musste ihre Existenz basierend auf theoretischen Modellen, Beobachtungen der großräumigen Struktur des Universums und seiner scheinbaren Gravitationswirkungen auf sichtbare Materie abgeleitet werden.
Seit seiner Einführung hat es nicht an Vorschlägen gefehlt, wie Teilchen der Dunklen Materie aussehen. Vor nicht allzu langer Zeit schlugen viele Wissenschaftler vor, dass Dunkle Materie aus WIMPs (Weakly-Interacting Massive Particles) besteht, die etwa die 100-fache Masse eines Protons haben, aber wie Neutrinos wechselwirken. Alle Versuche, WIMPs mithilfe von Collider-Experimenten zu finden, sind jedoch erfolglos geblieben. Daher haben Wissenschaftler in letzter Zeit die Idee untersucht, dass dunkle Materie aus etwas ganz anderem bestehen könnte.
Aktuelle kosmologische Modelle gehen davon aus, dass die Masse der Dunklen Materie etwa 100 Gev (Giga-Elektrovolt) beträgt, was der Massenskala vieler anderer Teilchen entspricht, die über eine schwache Kernkraft wechselwirken. Die Existenz eines solchen Teilchens wäre im Einklang mit supersymmetrischen Erweiterungen des Standardmodell der Teilchenphysik . Es wird ferner angenommen, dass solche Teilchen im heißen, dichten, frühen Universum mit einer bis heute konstanten Materiemassendichte erzeugt worden wären.
Laut Supersymmetrie vernichten sich WIMPs gegenseitig und erzeugen eine Kaskade von Teilchen und Strahlung, die mittelenergetische Gammastrahlen enthält. Bildnachweis: Sky & Telescope / Gregg Dinderman.
Die laufenden experimentellen Bemühungen zum Nachweis von WIMPs haben jedoch keinen konkreten Beweis für diese Partikel erbracht. Dazu gehören die Suche nach den Produkten der WIMP-Annihilation (d. h. Gammastrahlen, Neutrinos und kosmische Strahlung) in nahegelegenen Galaxien und Haufen sowie Direktnachweisexperimente mit Superkollidern wie dem CERN Large Hadron Collider (LHC) in der Schweiz.
Aus diesem Grund haben viele Forscherteams begonnen, über das WIMPs-Paradigma hinauszuschauen, um Dunkle Materie zu finden. Ein solches Team besteht aus einer Gruppe von Kosmologen aus CERN und CP3-Ursprung in Dänemark, der kürzlich eine Studie veröffentlicht Dies deutet darauf hin, dass Dunkle Materie viel schwerer sein und viel weniger interagieren könnte als bisher angenommen.
Wie Dr. McCullen Sandora, eines der Mitglieder des Forschungsteams von CP-3 Origins, Universe Today per E-Mail sagte:
„Wir können das WIMP-Szenario noch nicht ausschließen, aber mit jedem Jahr wird der Verdacht immer größer, dass wir nichts gesehen haben. Darüber hinaus leidet die übliche Physik mit schwacher Skala unter dem Hierarchieproblem. Aus diesem Grund sind alle uns bekannten Teilchen so leicht, insbesondere in Bezug auf die natürliche Gravitationsskala, die Planck-Skala, die etwa 10 . beträgt19GeV. Wenn dunkle Materie also näher an der Planck-Skala wäre, wäre sie nicht vom Hierarchieproblem betroffen, und dies würde auch erklären, warum wir die mit WIMPs verbundenen Signaturen nicht gesehen haben.“
Mit einem neuen Modell namens Planckian Interacting Dark Matter (PIDM) hat das Team die Obergrenze der Masse der Dunklen Materie erforscht. Während WIMPs die Masse der Dunklen Materie an der oberen Grenze der elektroschwachen Skala einordnen, schlug das dänische Forscherteam um Marthias Garny, McCullen Sandora und Martin S. Sloth ein Teilchen mit einer Masse nahe einer ganz anderen natürlichen Skala vor – der Planck-Skala.
Kosmische Zeitleiste vom Urknall bis heute. Bildnachweis: NASA
Auf der Planck-Skala entspricht eine einzelne Masseneinheit 2,17645 × 10-8kg – ungefähr ein Mikrogramm oder 1019mal größer als die Masse eines Protons. Bei dieser Masse ist jedes PIDM im Wesentlichen so schwer, wie ein Teilchen sein kann, bevor es zu einem Miniaturschwarzen Loch wird. Das Team theoretisiert auch, dass diese PIDM-Partikel nur durch Gravitation mit gewöhnlicher Materie wechselwirken und dass sich eine große Anzahl von ihnen im sehr frühen Universum während der „Wiedererwärmungs“-Epoche gebildet hat – einer Periode, die am Ende der Inflationsepoche, etwa 10 ., stattfand-36t0 10-33oder 10-32Sekunden nach dem Urknall.
Diese Epoche wird so genannt, weil angenommen wird, dass die kosmischen Temperaturen während der Inflation um den Faktor 100.000 oder so gesunken sind. Als die Inflation endete, kehrten die Temperaturen auf ihre Temperatur vor der Inflation zurück (geschätzte 1027K). An diesem Punkt zerfiel die große potentielle Energie des Inflationsfeldes in Standardmodell-Partikel, die das Universum füllten, zu dem auch Dunkle Materie gehört hätte.
Natürlich hat diese neue Theorie einige Implikationen für Kosmologen. Damit dieses Modell funktioniert, müsste beispielsweise die Temperatur der Wiedererwärmungsepoche höher gewesen sein, als derzeit angenommen wird. Darüber hinaus würde eine heißere Wiedererwärmungsperiode auch zur Entstehung weiterer ursprünglicher Gravitationswellen führen, die im Cosmic Microwave Background (CMB) sichtbar wären.
„Eine so hohe Temperatur sagt uns zwei interessante Dinge über die Inflation“, sagt Sandora. „Wenn sich die Dunkle Materie als PIDM entpuppt: Erstens geschah die Inflation mit sehr hoher Energie, was wiederum bedeutet, dass sie nicht nur Temperaturschwankungen des frühen Universums, sondern auch der Raumzeit selbst erzeugen konnte. in Form von Gravitationswellen. Zweitens sagt es uns, dass die Inflationsenergie extrem schnell in Materie zerfallen musste, denn wenn es zu lange gedauert hätte, hätte sich das Universum so weit abgekühlt, dass es überhaupt keine PIDMs hätte produzieren können.“
Zukünftige Studien zum kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) könnten uns mehr über die wahre Natur der Dunklen Materie sagen. Bildnachweis: NASA/WMAP
Die Existenz dieser Gravitationswellen könnte durch zukünftige Studien mit Cosmic Microwave Background (CMB) bestätigt oder ausgeschlossen werden. Das sind aufregende Neuigkeiten, denn die jüngste Entdeckung von Gravitationswellen wird voraussichtlich zu erneuten Versuchen führen, Urwellen zu entdecken, die bis in die Entstehung des Universums zurückreichen.
Wie Sandora erklärte, stellt dies ein Win-Win-Szenario für Wissenschaftler dar, da dieser neueste Kandidat für Dunkle Materie in naher Zukunft bewiesen oder widerlegt werden kann.
„[Unser] Szenario macht eine konkrete Vorhersage: Wir werden Gravitationswellen in der nächsten Generation von kosmischen Mikrowellen-Hintergrundexperimenten sehen. Daher ist es ein Szenario ohne Verluste: Wenn wir sie sehen, ist das großartig, und wenn wir sie nicht sehen, wissen wir, dass Dunkle Materie kein PIDM ist, was bedeutet, dass wir wissen, dass sie einige zusätzliche Wechselwirkungen haben muss mit gewöhnlicher Materie. Und all dies wird innerhalb des nächsten Jahrzehnts oder so geschehen, worauf wir uns sehr freuen können.“
Seit Jacobus Kapteyn 1922 erstmals die Existenz von Dunkler Materie vorschlug, haben Wissenschaftler nach direkten Beweisen für ihre Existenz gesucht. Und eines nach dem anderen Kandidatenpartikel – von Gravitinos und MACHOS zu Axionen – wurden vorgeschlagen, gewogen und für mangelhaft befunden. Nicht zuletzt ist es gut zu wissen, dass die Existenz dieses neuesten Kandidatenteilchens in naher Zukunft bewiesen oder ausgeschlossen werden kann.
Und wenn es sich als richtig erwiesen hat, haben wir eines der größten kosmologischen Mysterien aller Zeiten gelöst! Ein Schritt näher, um das Universum wirklich zu verstehen und wie seine mysteriösen Kräfte interagieren. Theory of Everything, wir kommen (oder auch nicht)!
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