Wenn Dunkle Materie aus sterilen Neutrinos besteht, hat eine neue Umfrage eingegrenzt, wonach zu suchen ist

Wir wissen nicht, was dunkle Materie ist. Wir wissen, was es nicht ist, und das ist ein Problem. Materie besteht aus Elementarteilchen, von den Quarks und Elektronen, aus denen Atome und Moleküle bestehen, bis hin zu primordialen Neutrinos, die im ganzen Kosmos verbreitet sind. Aber keines der bekannten Elementarteilchen kann aus Dunkler Materie bestehen, was ist es also?

Das Periodensystem der Elementarteilchen. Credit: Public Domain, über Wikipedia

Es wurden mehrere Ideen vorgeschlagen, von WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) über hypothetische Teilchen, die als Axionen bekannt sind, bis hin zu winzigen Schwarzen Löchern. Aber bisher stützen die Beweise diese Ideen nicht wirklich. Astronomen haben sich also ein anderes theoretisches Teilchen angesehen, das als sterile Neutrinos bekannt ist.

Neutrinos sind eine Form der Dunklen Materie, weil sie Masse haben und schwach mit Licht wechselwirken. Aber Neutrinos haben eine so geringe Masse und eine so hohe Energie, dass sie sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch das Universum bewegen. Aus diesem Grund werden sie als heiße dunkle Materie bezeichnet. Wir wissen aus Beobachtungen, dass dunkle Materie ist meist kalt, Das bedeutet, dass sich die Teilchen der Dunklen Materie relativ langsam bewegen müssen. Während Neutrinos also einen kleinen Teil der Dunklen Materie ausmachen, muss das meiste davon etwas anderes sein.

Die Helizität von Neutrinos und Antineutrinos. Credit: Universe Review

Es gibt drei bekannte Typen oder Aromen von Neutrinos, und sie haben einige ziemlich seltsame Eigenschaften. Eine dieser seltsamen Eigenschaften ist ihre Helizität. Elementarteilchen haben einen Spin, und wenn sie sich bewegen, ist der Spin entweder entlang ihrer Bewegungsrichtung (rechtshändige Helizität) oder entgegengesetzt zu ihrer Bewegung (linkshändige Helizität) orientiert. Die meisten Teilchen können je nach Wechselwirkung eine der beiden Helizitäten aufweisen, aber die Helizität von Neutrinos ist immer linkshändig. Wir sind uns nicht ganz sicher, warum, aber wir wissen, dass rechtshändige Neutrinos, wenn sie existieren, nicht durch die elektroschwache Kraft mit normaler Materie wechselwirken würden. Sie würden nur gravitativ mit Materie wechselwirken, daher werden sie als sterile Neutrinos bezeichnet.

Wenn sterile Neutrinos existieren und sie nur normale Neutrinos mit rechtshändiger Helizität sind, dann wären sie heiße dunkle Materie und nicht die kalte dunkle Materie, nach der wir suchen. Aber es gibt einige Theorien, in denen sterile Neutrinos viel massiver sind als normale Neutrinos. Diese schweren sterilen Neutrinos könnten aus dunkler Materie bestehen. Das heißt, wenn sie existieren.

Wenn es schwere sterile Neutrinos gibt, könnten sie durch ihren radioaktiven Zerfall entdeckt werden. Schwere Partikel können im Laufe der Zeit in leichtere Partikel zerfallen, daher ist es möglich, dass sterile Neutrinos in ihre leichteren Gegenstücke zerfallen und dabei Röntgenphotonen emittieren. Um diese Röntgenemissionen zu entdecken, durchkämmte ein Team Daten des Chandra-Röntgenobservatoriums. Sie fanden keine Hinweise auf sterile Neutrinos. Ihre Ergebnisse waren nicht stark genug, um die Idee vollständig auszuschließen, aber es grenzt die theoretischen Kandidaten ein wenig ein. Insbesondere setzt die Studie eine harte Grenze dafür, wie sterile Neutrinos zerfallen können, wenn sie existieren.

Wir wissen immer noch nicht, was dunkle Materie ist. Studien wie diese mögen enttäuschend erscheinen, aber sie spielen eine wichtige Rolle. Indem sie unsere Optionen eingrenzen, zwingen sie uns, uns auf brauchbarere Kandidaten für dunkle Materie zu konzentrieren. Wir haben noch etwas gelernt, aber im Moment tappen wir noch im Dunkeln.

Referenz:Sizilianer, Dominic et al. “ Den Dunkle-Materie-Halo der Milchstraße auf die 3,5-keV-Linie untersuchen . 'Das Astrophysikalische Journal905.2 (2020): 146.