Gravitationswellendetektoren könnten möglicherweise dunkle Materieteilchen erkennen, die mit ihren Spiegeln kollidieren

Die Astronomie wurde dank der ersten Entdeckung von revolutioniert Gravitationswellen (GW). Da die erste Erkennung in Februar 2016 von Wissenschaftlern der Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) wurden mehrere Ereignisse erkannt. Diese haben Einblicke in ein Phänomen gegeben, das vor über einem Jahrhundert von Albert Einstein vorhergesagt wurde.

Wie sich herausstellt, könnte die Infrastruktur, die zur Erkennung von GWs verwendet wird, auch dazu beitragen, ein weiteres astronomisches Geheimnis zu lüften: Dunkle Materie! nach a neue Studie von einem Team japanischer Forscher könnten Laserinterferometer verwendet werden, um nach Schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs), einem wichtigen Kandidatenpartikel bei der Jagd nach Dunkler Materie.

Um es zusammenzufassen, WIMPS sind ein theoretisches Elementarteilchen, das mit normaler Materie (baryonisch) nur durch schwache Wechselwirkung wechselwirkt. Wie andere Elementarteilchen, die Teil des Standardmodells sind (von denen WIMPS nicht sind), wären sie während des frühen Universums entstanden, als der Kosmos extrem heiß war.

WIMPs sind im Wesentlichen die mikroskopischen Kandidatenpartikel, die sie am entgegengesetzten Ende des Spektrums von den anderen wichtigen Kandidaten – den makroskopischen Massive Compact Halo Objects (MACHOs) – platzieren. Bisher wurden mehrere Experimente durchgeführt, um diese Teilchen zu finden – von Teilchenkollisionen und indirekten Detektionen bis hin zu direkteren Methoden – aber die Ergebnisse waren weitgehend nicht eindeutig.

Als Dr. Satoshi Tsuchida, ein Postdoktorand für Physik an der Osaka City University und Hauptautor der Studie (die kürzlich online erschienen ), sagte Universe Today per E-Mail:

„Man nimmt an, dass die meisten MACHOs aus baryonischer Materie bestehen, aber Baryonen machen nur 5% des Universums aus. Daher können wir die Struktur des gegenwärtigen Universums nicht erklären, wenn die gesamte Dunkle Materie aus MACHOs besteht. Andererseits sind WIMPs nicht-baryonische Materie und wir haben keinen Grund, [sie] von der Dunklen Materie auszuschließen… Daher können WIMPs vielversprechende Kandidaten für Dunkle Materie sein.“

Für ihre Studie hat das Forschungsteam (zu dem Mitglieder gehören) die Universität Osaka begrüßt Nambu Yoichiro Institut für Theoretische und Experimentelle Physik und Ritsumeikan University) schlagen eine neue Suchmethode vor, die sich die jüngsten Fortschritte bei der Detektion von Schwerewellen zunutze macht. Mit der gleichen Methode zur Erkennung von Welligkeiten in der Raumzeit argumentieren sie, dass auch WIMPs zum ersten Mal nachgewiesen werden könnten.

Das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) besteht aus zwei Detektoren, diesem in Livingston, La., und einem in der Nähe von Hanford, Washington. Credit: Caltech/MIT/LIGO Lab

Dies würde einen „direkten Nachweis“-Ansatz unter Verwendung von Laserinterferometern darstellen, ein Verfahren, das in der Vergangenheit vorgeschlagen wurde. Diese Methode wurde jedoch noch nicht getestet, auch weil Wissenschaftler noch nicht berechnet haben, welche Arten von Signalen durch direkte Wechselwirkungen zwischen WIMPs und Nukleonen im Spiegel eines Laserinterferometers verursacht werden.

Das Forschungsteam argumentiert jedoch, dass die Bewegungen eines Pendels und eines Spiegels in einem GW-Detektor durch eine Kollision unterbrochen werden. Das Forschungsteam analysierte diese Bewegungen und schätzte, wie gut sie für ein System hochentwickelter Sensoren, wie sie von LIGO und anderen GW-Detektoren verwendet werden, erkennbar wären.

Daraus konnte das Team einen Rahmen schaffen, der für zukünftige Forschungen nützlich sein könnte. „Daher könnte unsere Methode [liefern] einige neue Erkenntnisse für die [Forschung] der Dunklen Materie“, sagte Dr. Satoshi. „Die GW-Detektoren der nächsten Generation haben eine bessere Empfindlichkeit als die der aktuellen Generation, sodass das Signal-Rausch-Verhältnis um einige Größenordnungen verbessert würde.“

„Wenn wir eine Methode zur Extraktion der Dunkle-Materie-Signale auf dem GW-Detektor etablieren können, könnte die Methode [eine] wichtige Rolle spielen, um die Natur von WIMPs durch [einen] unabhängigen Ansatz aufzuklären“, fügte er hinzu. „Daher könnte unsere Studie dazu beitragen, die Struktur des Universums nicht nur gegenwärtig, sondern auch in Vergangenheit und Zukunft aufzudecken.“

Das KAGRA-Observatorium wird modernisiert. Bildnachweis: NOAJ

Dazu gehören die Kamioka Gravitationswellendetektor, Großskaliges kryogenes Gravitationswellenteleskop (KAGRA) in Japan – das derzeit aufgerüstet wird – und die Einstein-Teleskop (ET), einem europäischen Detektor der dritten Generation, der sich noch in der Entwicklungsphase befindet. Wenn diese online gehen und sich LIGO und dem Virgo-Observatorium (in Italien) anschließen, werden sie eine beispiellose Erkennungsrate ermöglichen.

Dies ist nicht das erste Mal, dass Wissenschaftler andere Anwendungen für die GW-Forschung vorgeschlagen haben. Ein internationales Wissenschaftlerteam hat beispielsweise kürzlich vorgeschlagen, dass GWs verwendet werden könnten, um Zwerggalaxien studieren , in der Hoffnung zu sehen, wie sie von Dunkler Materie dominiert werden. Ein anderer Vorschlag besteht darin, GWs zu verwenden, um die Expansionsrate des Universums – eine Methode, die uns viel über die Natur und den Einfluss der Dunklen Energie sagen könnte!

Eine mysteriöse astronomische Kraft, die erst kürzlich bestätigt wurde und die zu einem neuen Verständnis von zwei der größten kosmologischen Mysterien führen könnte! Was für eine Zeit, um am Leben zu sein!

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