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HYPER-Modell zur Erklärung der Dunklen Materie
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung der Universität Mainz
astronews.com
25. Januar 2023
Noch immer rätselt die Forschung, um was es sich wohl bei
der Dunklen Materie handelt, ohne die sich zahlreiche Beobachtungen nicht
erklären lassen. Alle Versuche, Partikel der Dunklen Materie nachzuweisen, sind
bislang fehlgeschlagen. Nun hat ein Team ein neues Modell der Dunklen Materie
entwickelt, das einige Vorteile aufweisen soll.
Die dunkle Materie macht einen
entscheidenden Teil der Masse im Universum aus,
doch bislang ist unklar, um was es sich dabei
handelt. Unser Bild zeigt das Hubble eXtreme Deep Field, einen tiefen
Blick ins All im Bereich des Sternbilds
Chemischer Ofen.
Bild: NASA, ESA, G. Illingworth, D. Magee und
P. Oesch (University of California, Santa Cruz),
R. Bouwens (Leiden University) und das
HUDF09-Team [Großansicht] |
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, Postdoktorandin am Exzellenzcluster PRISMA+ der
Johannes Gutenberg Universität-Mainz sowie Robert McGehee und Aaron Pierce von
der University of Michigan in Ann Arbor (USA) gehören, hat nun einen neuen
Kandidaten für Dunkle Materie vorgeschlagen – und ihm den Namen HYPER, für "HighlY
Interactive ParticlE Relics", gegeben. Der Clou: 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, sogenannten WIMPs,
bisher nicht zum Erfolg geführt hat, sucht die Forschungsgemeinde 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 Elor. "Unser HYPER-Modell zeigt nun, dass ein
Phasenübergang tatsächlich dazu beitragen kann, die Dunkle Materie leichter
nachweisbar zu machen."
Die Herausforderung für ein passendes Modell: 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 McGehee.
Und das stellen sich die Forschenden so vor: In der Teilchenphysik wird eine
Wechselwirkung in der Regel über ein bestimmtes Teilchen, einen sogenannten
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", so Pierce. Mehr noch: "Das HYPER-Modell der Dunklen
Materie ist in der Lage beinahe den gesamten Bereich, den die neuen Experimente
zugänglich machen, abzudecken", ergänzt Elor.
Konkret hat sich das Team 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", so das
Team. "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 Elor. "Aber am Ende konnten
wir uns davon überzeugen, dass unser HYPER-Modell funktioniert!"
Ihr HYPER-Modell der Dunklen Materie stellt das Team in einem Fachartikel
vor, der in der Zeitschrift Physical Review Letters erschienen ist.
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