31.01.2023

Neues Modell für dunkle Materie

Phasenübergang im frühen Universum ändert die Stärke der Wechselwirkung zwischen dunkler und normaler Materie.

Die dunkle Materie ist nach wie vor eines der größten Rätsel der modernen Physik. Es ist klar, dass es sie geben muss, denn ohne dunkle Materie lässt sich etwa die Bewegung von Galaxien nicht erklären. Aber noch nie ist es gelungen, dunkle Materie in einem Experiment direkt nachzuweisen. Aktuell gibt es viele Vorschläge für neue Experimente: Sie zielen darauf ab, die dunkle Materie über ihre Streuung an Protonen und Neutronen, den Bestand­teilen des Atomkerns, direkt nachzuweisen. Ein Team, zu dem Gilly Elor vom Exzellenz­cluster Prisma+ der Universität Mainz sowie Robert McGehee und Aaron Pierce von der University of Michigan in Ann Arbor gehören, hat nun einen neuen Kandidaten für dunkle Materie vorgeschlagen – und ihm den Namen HYPER – „HighlY Interactive ParticlE Relics“ – gegeben.

Abb.: Dreidimensionale Karte einer möglichen Verteilung dunkler Materie....
Abb.: Dreidimensionale Karte einer möglichen Verteilung dunkler Materie. (Bild: NASA / ESA / R. Massey, Caltech)

Im HYPER Modell erhöht sich einige Zeit nach der Entstehung der dunklen Materie im frühen Universum schlagartig die Stärke ihrer Wechsel­wirkung mit normaler Materie – was sie einerseits heute potentiell nachweisbar macht und gleichzeitig die Menge an dunkler Materie erklären kann. Nachdem die Suche nach schweren dunkle Materie-Teilchen, die WIMPs, bisher nicht zum Erfolg geführt hat, sucht die Forscher­gemeinde nach alternativen, vor allem auch leichteren dunkle Materie-Teilchen. Gleichzeitig würde man im Allgemeinen Phasen­übergänge auch im dunklen Sektor erwarten, schließlich gibt es mehrere im sichtbaren Sektor. Doch bisherige Studien haben sie eher vernachlässigt. „Für den Massen­bereich, den einige geplante Experimente zugänglich machen wollen, gab es bisher noch kein konsistentes Dunkle Materie Modell“, sagt Gilly Elor. „Unser HYPER-Modell zeigt nun, dass ein Phasen­übergang tatsächlich dazu beitragen kann, die dunkle Materie leichter nachweisbar zu machen.“

Wenn die dunkle Materie zu stark mit normaler Materie wechselwirkt, wäre ihre genau bekannte Menge, die sich im frühen Universum gebildet hat, zu klein und würde astro­physikalischen Beobachtungen widersprechen. Wenn dunkle Materie jedoch in der richtigen Menge produziert würde, wäre die Wechsel­wirkung umgekehrt zu schwach, um sie in heutigen Experimenten nachweisen zu können. „Unsere zentrale Idee, die dem HYPER Modell zugrunde liegt, ist, dass sich die Wechsel­wirkung einmalig sprunghaft ändert – so haben wir das Beste aus beiden Welten: die richtige Menge an dunkler Materie und eine große Wechselwirkung, so dass wir sie nachweisen können“, erläutert Robert McGehee.

In der Teilchenphysik wird eine Wechselwirkung in der Regel über ein bestimmtes Teilchen, einen Mediator, vermittelt – so auch die Wechselwirkung von dunkler Materie mit normaler Materie. Sowohl die Entstehung der dunklen Materie als auch deren Detektion funktionieren über diesen Mediator, wobei die Stärke der Wechsel­wirkung von dessen Masse abhängt: Je größer die Masse, desto schwächer die Wechselwirkung. Dabei muss der Mediator zunächst schwer genug sein, damit sich die korrekte Menge an dunkler Materie bilden kann und später leicht genug, damit dunkle Materie überhaupt nachweisbar ist. Die Lösung: Es gab nach der Entstehung der dunklen Materie einen Phasen­übergang, bei dem sich die Masse des Mediators plötzlich verkleinerte. „So wird einerseits die Masse an dunkler Materie konstant gehalten und anderseits die Wechsel­wirkung derart geboostet oder verstärkt, dass dunkle Materie direkt nachweisbar sein sollte“, berichtet Aaron Pierce.

„Das HYPER Modell der dunklen Materie ist in der Lage beinahe den gesamten Bereich, den die neuen Experimente zugänglich machen, abzudecken“, ergänzt Gilly Elor. Konkret hat sich das Forscherteam zunächst überlegt, wie groß die durch den Mediator vermittelte Wechselwirkung mit den Protonen und Neutronen eines Atomkerns maximal sein kann, um im Einklang mit astro­physikalischen Beobachtungen und bestimmten teilchen­physikalischen Zerfällen zu stehen. Im nächsten Schritt galt es zu überlegen, ob es ein Modell für dunkle Materie gibt, das diese Wechselwirkung aufweist. „Und hier kam uns die Idee des Phasen­übergangs“, berichten die Forschenden. „Wir haben dann die Menge an dunkler Materie berechnet, die es im Universum gibt, und anschließend den Phasen­übergang mit unseren Rechnungen simuliert.“

Dabei gibt es sehr viele Rahmen­bedingungen zu beachten, zum Beispiel eine konstante Menge an dunkler Materie. „Hier müssen wir systematisch sehr viele Szenarien bedenken und einbeziehen, zum Beispiel die Frage stellen, ob wirklich sicher ist, dass unser Mediator nicht doch plötzlich zur Bildung neuer dunkler Materie führt, was natürlich nicht sein darf“, so Gilly Elor. „Aber am Ende konnten wir uns davon überzeugen, dass unser HYPER Modell funk­tioniert!“

JGU Mainz / JOL

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