Physiker auf der Suche nach der unsichtbaren Hand, die unser Universum und die darin enthaltenen Galaxien prägt, haben ihren Blick auf die dunkle Seite gerichtet. Insbesondere sucht ein Team hinter jedem kosmischen Gestein nach sogenannten dunklen Photonen, die eine bisher unbekannte Naturgewalt übertragen könnten.
Diese Photonen würden die Wechselwirkung zwischen aller normalen Materie und dem unsichtbaren Material vermitteln, das dunkle Materie genannt wird.
Aber Wissenschaftler haben lange verstanden, dass die Natur von vier bekannten Kräften gedehnt und gezogen und zerquetscht und zerrissen wird. Wie konnte sich also eine andere Kraft so lange vor uns versteckt haben? Diese vier bekannten Kräfte bilden den Eckpfeiler unseres täglichen Lebens: die tyrannische, aber kurzreichweitige starke Kernkraft, die Atomkerne zusammenhält; die obskure und flüsterleise schwache Kernkraft, die den radioaktiven Zerfall kontrolliert und mit den subatomaren Teilchen spricht, die Neutrinos genannt werden; die kühne und helle elektromagnetische Kraft, die unser Leben beherrscht; und die subtile Gravitationskraft, bei weitem die schwächste des Quartetts.
Mit diesen vier fundamentalen Kräften können Physiker ein Porträt unserer subatomaren und makroskopischen Welten zeichnen. Es gibt keine Interaktion, an der keiner dieser vier Charaktere beteiligt ist. Und doch gibt es immer noch viele Geheimnisse in Bezug auf Interaktionen in unserem Universum, insbesondere auf den größten Skalen. Wenn wir auf die Skala von Galaxien und darüber hinaus herauszoomen, tritt etwas Fischartiges auf, und wir geben dieser Fischigkeit den Namen dunkle Materie.
Ist dunkle Materie einfach und schmucklos oder verbirgt sie eine Vielzahl bisher unbekannter Kräfte in ihren Fängen? Jetzt hat ein internationales Team von Physikern, das ihre Arbeit online im Preprint-Journal arXiv beschreibt, einen Datendump des Large Hadron Collider - des weltweit größten Atomzerstörers - verwendet, um nach einer solchen Kraft zu suchen. Im Moment ist ihre Suche leer ausgefallen - was gut ist: Es bedeutet, dass unsere bekannten Gesetze der Physik immer noch gelten. Aber wir können dunkle Materie immer noch nicht erklären.
Im Dunkeln verloren
Dunkle Materie ist eine hypothetische Form der Materie, die etwa 80% der Gesamtmasse des Universums ausmachen soll. Es ist eine große Sache. Wir wissen nicht wirklich, was für all dieses zusätzliche unsichtbare Zeug verantwortlich ist, aber wir wissen, dass es existiert, und unser größter Hinweis ist die Schwerkraft. Durch die Untersuchung der Bewegungen von Sternen in Galaxien und Galaxien in Clustern sowie der Entwicklung der größten Strukturen im Kosmos sind Astronomen fast überall zu dem Schluss gekommen, dass es mehr gibt, als das galaktische Auge vermuten lässt.
Ein besserer Name für dunkle Materie könnte unsichtbare Materie sein. Während wir es aus seinem Gravitationseinfluss ableiten können (weil Albert Einsteins allsehendem Auge nichts entgeht), interagiert dunkle Materie einfach nicht mit Licht. Wir wissen das, denn wenn dunkle Materie mit Licht interagiert hätte (oder zumindest, wenn sie wie bekannte Materie mit Licht interagiert hätte), hätten wir die mysteriöse Substanz inzwischen gesehen. Aber soweit wir das beurteilen können, absorbiert dunkle Materie - was auch immer es sein mag - kein Licht, reflektiert kein Licht, bricht kein Licht, streut kein Licht und emittiert kein Licht. Für dunkle Materie ist Licht einfach eine Persona non grata; es könnte genauso gut gar nicht existieren.
Und so besteht eine solide Chance, dass Legionen von Partikeln der dunklen Materie gerade durch Ihren Körper strömen. Die kombinierte Masse dieses endlosen Stroms kann das Schicksal von Galaxien durch Gravitationseinfluss formen, aber sie passiert normale Materie ohne ein Hallo. Unhöflich, ich weiß, aber das ist dunkle Materie für dich.
Das Licht bringen
Da wir nicht wissen, woraus dunkle Materie besteht, können wir alle möglichen Szenarien erfinden, sowohl weltliche als auch phantasievolle. Das einfachste Bild der Dunklen Materie besagt, dass sie groß und einfach ist. Ja, es macht den größten Teil der Masse des Universums aus, aber es besteht nur aus einem einzigen, sehr produktiven Teilchen, das nichts anderes tut als Masse. Das heißt, das Material kann sich durch die Schwerkraft bemerkbar machen, interagiert aber ansonsten niemals durch eine der anderen Kräfte. Wir werden niemals einen Blick auf dunkle Materie erhaschen, wenn wir etwas anderes tun.
Die phantasievollen Szenarien machen mehr Spaß.
Wenn sich Theoretiker langweilen, erfinden sie Ideen, was dunkle Materie sein könnte und was noch wichtiger ist, wie wir sie erkennen könnten. Die nächste Stufe auf der Skala interessanter Theorien der Dunklen Materie besagt, dass die Substanz gelegentlich über die schwache Kernkraft mit normaler Materie sprechen kann. Diese Idee motiviert heute Experimente und Detektoren der Dunklen Materie auf der ganzen Welt.
In diesem Szenario wird jedoch davon ausgegangen, dass es nur noch vier Naturkräfte gibt. Wenn dunkle Materie eine bisher nicht sichtbare Art von Teilchen ist, dann ist es durchaus vernünftig anzunehmen (weil wir keine Ahnung haben, ob wir Recht haben oder nicht), dass sie mit einer zuvor unbekannten Naturgewalt verpackt ist - oder vielleicht einem Paar, das weiß ? Diese potenzielle Kraft könnte dunkle Materie nur mit dunkler Materie sprechen lassen, oder sie könnte dunkle Materie und dunkle Energie (die wir auch nicht verstehen) miteinander verflechten oder einen neuen Kommunikationskanal zwischen dem normalen und dem dunklen Sektor unseres Universums eröffnen .
Aufstieg des dunklen Photons
Ein vorgeschlagenes Kommunikationsportal zwischen dem hellen und dem dunklen Bereich ist ein sogenanntes dunkles Photon, analog zu dem bekannten (hellen) Photon der elektromagnetischen Kraft. Wir können die dunklen Photonen nicht direkt sehen, schmecken oder riechen, aber sie könnten sich mit unserer Welt vermischen. In diesem Szenario emittiert dunkle Materie dunkle Photonen, die relativ massive Teilchen sind. Dies bedeutet, dass sie im Gegensatz zu ihren lichttragenden Gegenstücken nur über eine kurze Reichweite Effekte haben. Gelegentlich kann ein dunkles Photon jedoch mit einem regulären Photon interagieren und dessen Energie und Flugbahn ändern.
Dies wäre ein sehr seltenes Ereignis; Andernfalls hätten wir schon vor langer Zeit bemerkt, dass mit Elektromagnetismus etwas Ungewöhnliches passiert.
Selbst mit dunklen Photonen könnten wir die dunkle Materie nicht direkt sehen, aber wir könnten die Existenz der dunklen Photonen aufspüren, indem wir Tropfen elektromagnetischer Wechselwirkungen untersuchen. In einem winzigen Bruchteil dieser Tropfen könnte ein dunkles Photon einem regulären Photon Energie "stehlen", indem es mit ihm interagiert.
Aber wie gesagt, wir brauchen viele Interaktionen. Es ist einfach so, dass wir riesige Maschinen der Wissenschaft gebaut haben, um genau das zu produzieren, also haben wir Glück.
In der arXiv-Arbeit berichteten Physiker über ihre Ergebnisse, nachdem sie Daten aus dem Super Proton Synchrotron, dem zweitgrößten Teilchenbeschleuniger am CERN, für drei Jahre untersucht hatten. Für dieses Experiment zerschmetterten die Wissenschaftler die Protonen gegen das subatomare Äquivalent einer Mauer und betrachteten anschließend alle Teile.
In den Trümmern fanden die Forscher Elektronen - viele von ihnen. Innerhalb von drei Jahren zählten die Wissenschaftler über 20 Milliarden Elektronen mit Energien über 100 GeV. Da Elektronen geladene Teilchen sind und gerne miteinander interagieren, haben die hochenergetischen Elektronen in diesem Experiment auch viele Photonen hervorgebracht. Wenn dunkle Photonen existieren, sollten sie manchmal mit einem der regulären Photonen interagieren und Energie von diesen stehlen, ein Phänomen, das sich im Experiment als Lichtmangel zeigt.
Diese Suche nach dunklen Photonen war leer - alle normalen Photonen waren vorhanden und wurden berücksichtigt -, aber das schließt die Existenz dunkler Photonen nicht vollständig aus. Stattdessen werden die zulässigen Eigenschaften dieser Partikel begrenzt. Wenn sie existieren, wären sie energiearm (weniger als ein GeV, basierend auf den Ergebnissen des Experiments) und würden nur selten mit regulären Photonen interagieren.
Die Suche nach dunklen Photonen geht jedoch weiter, und zukünftige Versuche des Experiments werden sich noch weiter mit dieser vorgeschlagenen Kreatur der subatomaren Welt befassen.
Lesen Sie mehr: "Suche nach Dunkler Materie in fehlenden Energieereignissen mit NA64"
Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State University, Gastgeber von "Fragen Sie einen Raumfahrer" und "Weltraumradio, "und Autor von"Dein Platz im Universum."
