Eine unsichtbare Substanz durchdringt das Universum und verändert die Wege von Sternen und Galaxien.
Diese sogenannte dunkle Materie übt eine Anziehungskraft aus, interagiert jedoch niemals mit Licht. Niemand weiß, woraus es besteht, und es war bisher unmöglich zu erkennen. Aber eine neue Theorie könnte endlich eine Möglichkeit bieten, auf dunkle Materie zu testen.
Dunkle Materie könnte aus seltsamen Halbmagneten bestehen, sagten theoretische Physiker der University of California, Davis, bei einer Präsentation am 6. Juni auf der Planck 2019-Konferenz in Granada, Spanien. Und wenn wir ein wirklich leistungsstarkes (noch nicht vorhandenes) Elektronenmikroskop einschalten, können wir sie möglicherweise endlich erkennen.
Aber nicht alle Physiker sind überzeugt.
"Ich denke, es ist ordentlich, aber nicht sehr vielversprechend", sagte Sabine Hossenfelder, eine wissenschaftliche Mitarbeiterin am Frankfurter Institut für fortgeschrittene Studien, die nicht Teil der Studie war. "Es gibt unendlich viele Teilchen, die Sie erfinden können und die dunkle Materie bilden können." Dies ist nur eine von ihnen, fügte sie hinzu.
"Für jedes dieser Partikel können Sie viele Berechnungen durchführen, Artikel veröffentlichen und Experimente ausdenken, für die Sie dann versuchen können, Mittel zu erhalten", sagte sie. "Wenn Sie wirklich Glück haben, wird jemand Ihr Experiment durchführen - der dann nichts findet."
Die Suche nach dunkler Materie
Obwohl Theorien vorhersagen, dass dunkle Materie existiert, haben wir keine Ahnung, wie sie wirklich aussieht oder woraus sie besteht. Für eine Weile gab es "eine schöne Geschichte", dass dunkle Materie aus einem schwerfälligen, schüchternen Tier eines Teilchens bestand, das als WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) bekannt ist, sagte der Co-Autor der neuen Studie, John Terning, a Professor für Physik an der University of California, Davis.
Jahrelang suchten Wissenschaftler mit leistungsstarken Teilchenbeschleunigern nach diesen langsamen, ladungslosen Teilchen. Aber im Laufe der Zeit schlossen Physiker immer mehr WIMP-Kandidaten aus - und die beliebte Idee verlor an Bodenhaftung. Obwohl nicht völlig ausgeschlossen, "haben die Menschen in den letzten 10 Jahren über andere Möglichkeiten als WIMPs nachgedacht", sagte Terning.
Eine andere Theorie besagt, dass dunkle Materie tatsächlich aus Lichtteilchen oder Photonen besteht.
"Zusätzlich zu den gewöhnlichen Photonen, die wir sehen können, könnte es einige Photonen geben, die wir nicht sehen können", sagte Terning. Diese sogenannten "dunklen Photonen" sind hypothetische Teilchen, die Masse haben, aber leichter als Elektronen sind. Dunkle Photonen würden - wenn auch eher schwach - mit regulären Photonen interagieren.
In dieser neuen Studie bauten Terning und sein Postdoktorand Christopher Verhaaren auf dieser Theorie auf und schlugen vor, dass dunkle Materie auch aus dunklen Halbmagneten bestehen könnte. Diese hypothetischen Halbmagnete wären dunkle Versionen der lang gesuchten Monopole oder Magnete die nur einen einzigen Pol haben, schlug der Physiker Paul Dirac erstmals in den 1930er Jahren vor. (Trotz jahrzehntelanger Jagd hat noch niemand in der Natur Beweise dafür gefunden.)
Dirac schlug jedoch nicht nur Monopole vor; Er schlug auch vor, dass ein Elektron, das sich um einen Monopol bewegt, durch sein Magnetfeld beeinflusst wird. Wenn also die Theorie von Terning und Verhaaren richtig ist und dunkle Versionen dieser Halbmagnete irgendwo im Universum lauern - und wenn diese dunklen Halbmagnete wie Diracs Monopol wirken -, würden sie auch subtile Hinweise auf den Wegen der Elektronen hinterlassen.
Wenn dunkle Monopole existieren, würden sie dunkle Photonen emittieren, die sich in reguläre Photonen umwandeln können, bevor sie von Elektronen absorbiert werden, sagte Terning. Diese Wechselwirkung würde dazu führen, dass sich die Elektronen nur geringfügig drehen oder ihren Kurs ändern, wodurch ein Interferenzmuster erzeugt wird, das als Aharonov-Bohm-Effekt bezeichnet wird. (Elektronen sind nicht nur Teilchen, sondern auch Wellen, und ein Interferenzmuster zeigt sich, wenn sich die Spitzen und Täler in der "Wellengleichung" des Elektrons addieren oder aufheben, wodurch eine Reihe von parallelem Licht und Licht entsteht dunkle Linien.) Terning und Verhaaren schlagen vor, dass sie diese sehr geringfügige Änderung der Elektroneninterferenzmuster mithilfe von Elektronenmikroskopen nachweisen können.
Aufgeregt von der Sonne
Wenn dunkle Materie existiert, ist sie in uns und um uns herum - einschließlich in und um jedes Elektronenstrahlmikroskop, mit dem wir sie erfassen würden. Aber um dunkle Materie durch ihre Störung von Elektronen zu erfassen, müssten die seltsamen Halbmagnete, aus denen dunkle Materie besteht, ein ausreichend starkes Magnetfeld haben. Das bedeutet, dass diese Halbmagnete viel Energie benötigen würden.
Monopole, die in der Nähe der Sonne vorbeiziehen, könnten erregt werden, mehr Energie gewinnen und dann zur Erde hinunter gelangen, sagte Terning. Er sagt voraus, dass ungefähr fünf dieser angeregten Monopole pro Tag etwas in der Größe ihres vorgeschlagenen Elektronenstrahlmikroskops durchlaufen würden. "Das ist nicht schlecht, denn übliche WIMP-Detektoren würden sich freuen, wenn sie fünf Ereignisse pro Jahr hätten", sagte er.
Darüber hinaus wäre die durch dunkle Halbmagnete verursachte Änderung der Elektronenphase so gering, dass wir zur Erkennung unglaublich hochauflösende Elektronenstrahlmikroskope benötigen würden - die derzeit existierenden sind wahrscheinlich nicht leistungsfähig genug . Dieses Elektronenmikroskop müsste eine Auflösung haben, die fünfmal höher ist als die derzeit existierende, sagte Terning.
Auf jeden Fall hoffen wir, "diese Leute mit den ausgefallenen Elektronenmikroskopen dazu zu bringen, danach zu suchen", oder "wir müssen vielleicht ein neues bauen, nur um zu sitzen und auf dunkle Materie zu warten", sagte Terning.
Die verschiedenen konkurrierenden Theorien der Dunklen Materie würden uns völlig unterschiedliche Geschichten darüber erzählen, wie sich das frühe Universum gebildet hat, sagte er. Wenn Sie erst einmal herausgefunden haben, woraus dunkle Materie tatsächlich besteht - ob es sich um leichte oder schwere Partikel handelt -, könnten die Menschen hier auf der Erde möglicherweise Fabriken für dunkle Materie errichten. "Wenn es sehr hell ist, brauchst du nicht viel Energie, um deine eigene dunkle Materie zu produzieren."
Die Wissenschaftler veröffentlichten ihre Studie im Preprint-Journal arXiv. Es wurde noch nicht von Experten begutachtet.
