Dunkle Materie widersetzt sich weiterhin unseren besten Bemühungen, sie festzunageln. Während dunkle Materie eine vorherrschende Theorie der Kosmologie bleibt und es viele Beweise dafür gibt, dass ein Universum mit kalter dunkler Materie gefüllt ist, führt jede Suche nach Teilchen der dunklen Materie zu nichts. Eine neue Studie setzt diese Tradition fort und schließt eine Reihe von Kandidaten für dunkle Materie aus.
Was wir über Wechselwirkungen der Dunklen Materie wissen. Bildnachweis: Perimeter Institute
Wenn Teilchen dunkler Materie existieren, wissen wir, dass sie nicht stark mit Licht wechselwirken können. Sie müssen gravitativ interagieren, und sie können auch über die starken und schwachen Kernkräfte interagieren. Wir wissen auch, dass es sich nicht um hochmassive Teilchen handeln kann. Wenn dies der Fall wäre, würden sie mit der Zeit in leichtere Partikel zerfallen, und wir sehen kaum Anzeichen dafür. Damit bleiben drei breite Kandidaten übrig: kleine Schwarze Löcher, sterile Neutrinos, oder eine Art Lichtboson. Diese neueste Arbeit konzentriert sich auf die dritte Option.
Eine Tabelle supersymmetrischer Teilchen. Bildnachweis: Claire David / CERN
Bekannte Elementarteilchen der Materie können in eine von zwei Kategorien eingeordnet werden: Fermionen und Bosonen. Elektronen, Quarks und Neutrinos sind also Fermionen, während Photonen und Gluonen Bosonen sind. Innerhalb des Standardmodells der Teilchenphysik gibt es keine Bosonen, die für Dunkle Materie geeignet wären. Einige alternative Modelle sagen jedoch Teilchen voraus, bei denen es sich um dunkle Materie handeln könnte. Supersymmetriemodelle sagen beispielsweise voraus, dass jedes bekannte Fermion ein entsprechendes Boson haben muss und umgekehrt. So hätte das Elektron ein Gegenstück, das als Selectron bekannt ist, das Photon ein Gegenstück, das Fermion, das als Photino bekannt ist, und so weiter. Eine andere Möglichkeit sind Axionen, die 1977 vorgeschlagen wurden, um subtile Aspekte der Interaktion von Quarks zu untersuchen.
Sowohl Axionen als auch Supersymmetrieteilchen könnten massearme Bosonen sein und den Bedarf der Dunklen Materie decken. Aber wenn beides existiert, wurden sie bisher nicht gefunden. Dennoch würden diese leichten Bosonen gravitativ mit normaler Materie wechselwirken, daher diese neueste Studie.
Bosonen können ein Schwarzes Loch verlangsamen wie Kinder, die auf ein Karussell springen. Bildnachweis: Jose-Luis Olivares, MIT
Wenn dunkle Materie aus leichten Bosonen besteht, würden sich diese Teilchen über das Universum verteilen, auch in der Nähe von Schwarzen Löchern. Ein Schwarzes Loch würde nahe gelegene Bosonen gravitativ einfangen und so seine Masse erhöhen. Wenn sich ein Schwarzes Loch dreht, würde das Einfangen von Teilchen der Dunklen Materie auch dazu neigen, seine Rotation zu verlangsamen. Sie können sich Kinder auf einem Spielplatz mit Karussell vorstellen. Springen Kinder auf das sich drehende Karussell, wird das Karussell aufgrund der zusätzlichen Masse etwas langsamer. Das gleiche würde für Schwarze Löcher gelten.
Mit anderen Worten, Bosonen der Dunklen Materie würden die Rotationsgeschwindigkeit von Schwarzen Löchern begrenzen. Das Team erkannte, dass schwerere Bosonen Schwarze Löcher stärker einschränken und leichtere Bosonen sie weniger einschränken würden. Also haben sie sich die LIGO- und Virgo-Daten der Verschmelzung von Schwarzen Löchern angesehen, die uns die Rotationsrate von Schwarzen Löchern vor ihrer Verschmelzung sagen. Es stellt sich heraus, dass einige dieser Schwarzen Löcher so schnell rotierten, dass die Existenz von ultraleichten Bosonen der Dunklen Materie ausgeschlossen ist. Basierend auf dieser Studie kann dunkle Materie keine Axionen oder leichte Supersymmetrieteilchen sein.
Die Suche nach Dunkler Materie hat uns also wieder einmal nicht gezeigt, was Dunkle Materie ist, sondern was sie nicht ist. Es ist extrem frustrierend und potenziell aufregend, weil uns schnell die Optionen für dunkle Materie ausgehen.
Referenz:Ng, Ken Ky et al. “ Einschränkungen für ultraleichte skalare Bosonen innerhalb der Spinmessungen von Schwarzen Löchern mit dem LIGO-Virgo GWTC-2 . 'Physische Überprüfungsschreiben126,15 (2021): 151102.
