Berechnungen von Wissenschaftlern haben gezeigt, dass 95 % des Universums aus Materie bestehen, die noch nicht von Menschen erforscht wurde: 70 % sind dunkle Energie und 25 % sind dunkle Materie. Es wird angenommen, dass das erste ein bestimmtes Feld mit einer Energie ungleich Null darstellt, das zweite jedoch aus Teilchen besteht, die nachgewiesen und untersucht werden können.
Doch nicht umsonst wird dieser Stoff „verborgene Masse“ genannt – seine Suche dauert eine ganze Weile und wird von hitzigen Diskussionen unter Physikern begleitet. Um seine Forschung der Öffentlichkeit zugänglich zu machen, hat das CERN sogar den Tag der Dunklen Materie ins Leben gerufen, der heute, am 31. Oktober, zum ersten Mal gefeiert wird.
Befürworter der Existenz dunkler Materie bringen durchaus überzeugende Argumente vor, die durch experimentelle Fakten bestätigt werden. Seine Anerkennung begann in den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts, als der Schweizer Astronom Fritz Zwicky die Geschwindigkeiten maß, mit denen sich die Galaxien des Coma-Haufens um ein gemeinsames Zentrum bewegen. Wie Sie wissen, hängt die Bewegungsgeschwindigkeit von der Masse ab. Die Berechnungen des Wissenschaftlers zeigten, dass die wahre Masse von Galaxien viel größer sein dürfte als die, die bei Beobachtungen mit Teleskopen ermittelt wurde. Es stellte sich heraus, dass ein ziemlich großer Teil der Galaxien für uns einfach nicht sichtbar war. Daher besteht es aus Materie, die kein Licht reflektiert oder absorbiert.
Der zweite Beweis für die Existenz verborgener Masse ist die Veränderung des Lichts beim Durchgang durch Galaxien. Tatsache ist, dass jedes Objekt mit Masse den geradlinigen Weg der Lichtstrahlen verzerrt. Dadurch verändert die dunkle Materie das helle Bild (Bild eines entfernten Objekts) und unterscheidet sich von dem Bild, das nur durch sichtbare Materie erzeugt würde. Es gibt zehn Beweise für die Existenz dunkler Materie, aber diese beiden sind die wichtigsten.
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
Ein Foto eines Galaxienhaufens. Die Linien zeigen den „Umriss“ der Dunklen Materie
Obwohl die Beweise für die Existenz dunkler Materie recht überzeugend sind, hat noch niemand die Teilchen, aus denen sie besteht, gefunden oder untersucht. Physiker vermuten, dass diese Geheimhaltung zwei Gründe hat. Das erste ist, dass diese Teilchen eine zu große Masse haben (bezogen auf die Energie durch die Formel E=mc²), sodass die Fähigkeiten moderner Beschleuniger einfach nicht ausreichen, um ein solches Teilchen zu „geburten“. Der zweite Grund ist die sehr geringe Wahrscheinlichkeit, dass Dunkle Materie auftritt. Vielleicht können wir es nicht genau finden, weil es äußerst schwach mit dem menschlichen Körper und den uns bekannten Partikeln interagiert. Auch wenn dunkle Materie (den Berechnungen zufolge) überall ist und ihre Teilchen buchstäblich jede Sekunde durch uns hindurchrauschen, spüren wir sie einfach nicht.
Um Teilchen der Dunklen Materie aufzuspüren, verwenden Wissenschaftler unterirdische Detektoren, um unnötige Störungen zu minimieren. Man geht davon aus, dass immer noch gelegentlich Teilchen der Dunklen Materie mit Atomkernen kollidieren, einen Teil ihres Impulses auf diese übertragen, Elektronen herausschlagen und Lichtblitze verursachen. Die Häufigkeit solcher Kollisionen hängt von der Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung der Teilchen der Dunklen Materie mit dem Kern, ihrer Konzentration und Relativgeschwindigkeit (unter Berücksichtigung der Bewegung der Erde um die Sonne) ab. Aber experimentelle Gruppen bestreiten, selbst wenn sie einen Effekt entdecken, dass dunkle Materie diese Detektorreaktion verursacht hat. Und nur die italienische Experimentalgruppe DAMA, die im Untergrundlabor von Gran Sasso arbeitet, berichtet von beobachteten jährlichen Schwankungen in der Zählrate von Signalen, die vermutlich mit der Bewegung der Erde durch die verborgene galaktische Masse zusammenhängen.
Detektor zum Nachweis dunkler Materie
In diesem Experiment werden über mehrere Jahre die Anzahl und Energie der Lichtblitze im Inneren des Detektors gemessen. Forscher haben das Vorhandensein schwacher (etwa 2 %) jährlicher Schwankungen in der Zählrate solcher Ereignisse nachgewiesen.
Obwohl die italienische Gruppe selbstbewusst die Zuverlässigkeit der Experimente verteidigt, sind die Meinungen der Wissenschaftler zu diesem Thema eher zweideutig. Die größte Schwäche der von der italienischen Gruppe erzielten Ergebnisse ist ihre Einzigartigkeit. Als beispielsweise Gravitationswellen entdeckt wurden, wurden sie von Laboren auf der ganzen Welt entdeckt und bestätigten damit die Daten anderer Gruppen. Im Fall von DAMA ist die Situation anders – niemand sonst auf der Welt kann sich rühmen, die gleichen Ergebnisse erzielt zu haben! Natürlich ist es möglich, dass diese Gruppe über leistungsfähigere Detektoren oder eigene Methoden verfügt, aber diese Einzigartigkeit des Experiments lässt bei einigen Forschern Zweifel an seiner Zuverlässigkeit aufkommen.
„Worauf sich die im Gran-Sasso-Labor gesammelten Daten genau beziehen, lässt sich noch immer nicht sagen. Eine Gruppe aus Italien lieferte jedenfalls ein positives Ergebnis und nicht ein Leugnen, was schon eine Sensation ist. Jetzt sind die Signale gefunden.“ Es muss nach einer Erklärung gesucht werden. Und dies ist ein großer Anreiz für die Entwicklung einer Vielzahl von Theorien, einschließlich solcher, die sich der Schaffung eines Modells der verborgenen Masse widmen. Aber selbst wenn ein Wissenschaftler versucht zu erklären, warum die erhaltenen Daten in keiner Weise zusammenhängen „In Bezug auf dunkle Materie kann dies immer noch ein neuer Schritt im Verständnis der Natur sein. Das Ergebnis ist auf jeden Fall und wir müssen die Arbeit fortsetzen. Aber im Moment kann ich persönlich nicht ganz zustimmen, dass dunkle Materie gefunden wurde“, kommentiert Konstantin Belotsky, leitender Forscher am Institut für Elementarteilchenphysik der NRNU MEPhI.
Dunkle Materie emittiert oder absorbiert kein Licht, interagiert praktisch nicht mit „normaler“ Materie, Wissenschaftler haben es noch nicht geschafft, ein einziges „dunkles“ Teilchen einzufangen. Aber ohne sie könnten das Universum, das wir kennen, und sogar wir selbst nicht existieren. Am Tag der Dunklen Materie, der am 31. Oktober gefeiert wird (Physiker entschieden, dass dies genau der richtige Zeitpunkt ist, einen Feiertag zu Ehren der dunklen und schwer fassbaren Substanz zu organisieren), N+1 fragte den Leiter der Abteilung für theoretische Astrophysik am Astrospace Center des Lebedev Physical Institute, Andrei Doroshkevich, was dunkle Materie ist und warum sie so wichtig ist.
N+1: Wie sicher sind Wissenschaftler heute, dass dunkle Materie wirklich existiert?
Andrey Doroschkewitsch: Der Hauptbeweis sind Beobachtungen von Schwankungen der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, also die Ergebnisse, die von der Raumsonde WMAP und „“ in den letzten 15 Jahren gewonnen wurden.
Sie haben mit hoher Genauigkeit die Temperaturstörung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, also der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung, gemessen. Diese Störungen bestehen seit der Ära der Rekombination, als sich ionisierter Wasserstoff in neutrale Atome verwandelte.
Diese Messungen zeigten das Vorhandensein sehr kleiner Schwankungen, etwa ein Zehntausendstel Kelvin. Doch als sie begannen, diese Daten mit theoretischen Modellen zu vergleichen, entdeckten sie wichtige Unterschiede, die sich nur durch das Vorhandensein dunkler Materie erklären lassen. Dadurch konnten sie den Anteil dunkler und gewöhnlicher Materie im Universum mit einer Genauigkeit von einem Prozent berechnen.
Verteilung der Materie im Universum (von links nach rechts) vor und nach dem Erscheinen der Daten des Planck-Teleskops
Wissenschaftler haben viele Versuche unternommen, unsichtbare und nicht wahrnehmbare Dunkle Materie loszuwerden, und haben Theorien zur modifizierten Schwerkraft wie MOND entwickelt, die versuchen, die beobachteten Effekte zu erklären. Warum sind Modelle der Dunklen Materie vorzuziehen?
Die Situation ist ganz einfach: Die moderne Einsteinsche Gravitationstheorie funktioniert gut auf irdischen Maßstäben, Satelliten fliegen in strikter Übereinstimmung mit dieser Theorie. Und es funktioniert sehr gut auf kosmologischen Skalen. Und alle modernen Modelle, die die Schwerkraft verändern, können nicht alles erklären. Sie führen neue Konstanten in das Newtonsche Gesetz ein, die helfen, die Auswirkungen der Dunklen Materie auf Galaxienebene zu erklären, verfehlen jedoch das Ziel auf kosmologischer Ebene.
Könnte hier die Entdeckung der Gravitationswellen helfen? Vielleicht hilft es, einige der Theorien zu verwerfen?
Was nun Gravitationswellen gemessen haben, ist ein großer technischer, kein wissenschaftlicher Erfolg. Dass sie existieren, war bereits vor 40 Jahren bekannt, als die Gravitationsstrahlung eines Doppelpulsars (indirekt) entdeckt wurde. Beobachtungen von Gravitationswellen bestätigten erneut die Existenz von Schwarzen Löchern, obwohl wir vorher nicht daran gezweifelt hatten, haben wir jetzt mehr oder weniger direkte Beweise.
Die Form des Effekts, Änderungen der Gravitationswellen in Abhängigkeit von der Leistung, kann uns sehr nützliche Informationen liefern, aber wir müssen noch fünf bis zehn Jahre warten, bis wir über genügend Daten verfügen, um die Gravitationstheorien zu verfeinern.
Wie Wissenschaftler etwas über Dunkle Materie erfuhren
Die Geschichte der Dunklen Materie begann im Jahr 1933, als der Astronom Fritz Zwicky die Geschwindigkeitsverteilung von Galaxien in einem Cluster im Sternbild Coma Berenices untersuchte. Er entdeckte, dass sich die Galaxien im Haufen zu schnell bewegten und wenn man nur sichtbare Materie berücksichtigte, könnte der Haufen nicht stabil sein – die Galaxien würden einfach in verschiedene Richtungen gestreut.
In einem am 16. Februar 1933 veröffentlichten Artikel vermutete Zwicky, dass sie durch eine unsichtbare Gravitationssubstanz – Dunkle Materie – zusammengehalten würden.
Wenig später bestätigten andere Astronomen die Diskrepanz zwischen der „sichtbaren“ Masse von Galaxien und den Parametern ihrer Bewegung.
1958 schlug der sowjetische Astrophysiker Viktor Ambartsumyan seine Lösung für das Zwicky-Paradoxon vor. Seiner Meinung nach enthalten Galaxienhaufen keine unsichtbare Materie, die sie gravitativ festhalten würde. Wir beobachten lediglich, dass sich Cluster auflösen. Die meisten Astronomen akzeptierten diese Erklärung jedoch nicht, da in diesem Fall die Lebensdauer von Clustern nicht mehr als eine Milliarde Jahre betragen würde und da die Lebensdauer des Universums zehnmal länger ist, gäbe es heute einfach keine Cluster mehr.
Das allgemein akzeptierte Verständnis der Dunklen Materie besagt, dass sie aus WIMPs besteht, massiven Teilchen, die kaum Wechselwirkungen mit gewöhnlichen Materieteilchen haben. Was können Sie über ihre Eigenschaften sagen?
Sie haben eine ziemlich große Masse – und das ist fast alles, wir können nicht einmal die genaue Masse nennen. Sie legen weite Strecken ohne Kollisionen zurück, aber Dichtestörungen in ihnen verschwinden auch in relativ kleinen Maßstäben nicht – und das ist das Einzige, was wir heute für Modelle brauchen.
CMB liefert uns die Eigenschaften der Dunklen Materie auf großen Skalen, auf der Skala von Galaxienhaufen. Aber um auf die Skala kleiner Galaxien „herunterzudringen“, sind wir gezwungen, theoretische Modelle zu verwenden.
Die bloße Existenz kleiner Galaxien lässt vermuten, dass es auch auf relativ kleinen Skalen Unregelmäßigkeiten gab, die kurz nach dem Urknall auftraten. Solche Inhomogenitäten können verblassen und sich glätten, aber wir wissen mit Sicherheit, dass sie auf der Skala kleiner Galaxien nicht verblassen. Dies deutet darauf hin, dass diese Teilchen der Dunklen Materie Eigenschaften haben müssen, die dazu führen, dass diese Störungen bestehen bleiben.
Ist es richtig zu sagen, dass Sterne nur aufgrund dunkler Materie entstehen könnten?
Nicht wirklich. Ohne Dunkle Materie könnten sich keine Galaxien bilden, und Sterne können außerhalb von Galaxien nicht entstehen. Im Gegensatz zur dunklen Materie sind Baryonen immer heiß und interagieren mit der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Daher können sie sich nicht unabhängig voneinander zu Sternen zusammenschließen; die Schwerkraft von Baryonen mit Sternmasse kann ihren Druck nicht überwinden.
Teilchen der Dunklen Materie fungieren als unsichtbarer Kitt, der Baryonen in Galaxien zieht, und dann beginnt in ihnen der Prozess der Sternentstehung. Es gibt sechsmal mehr Dunkle Materie als Baryonen; sie „führt“ und die Baryonen folgen ihr nur.
Xenon-Dunkle-Materie-Teilchendetektor XENON1T
Zusammenarbeit mit Xenon100
Gibt es um uns herum viel dunkle Materie?
Es ist überall, die Frage ist nur, wie viel es gibt. Es wird angenommen, dass in unserer Galaxie die Masse der Dunklen Materie etwas weniger als 10 Prozent beträgt.
Aber bereits in der Nähe der Galaxie gibt es mehr Dunkle Materie, wir können Anzeichen dafür erkennen, dass sie sowohl um unser als auch um andere Sternsysteme herum vorhanden ist. Natürlich sehen wir es dank der Baryonen, wir beobachten sie und wir verstehen, dass sie nur aufgrund der Anwesenheit dunkler Materie dort „haften bleiben“.
Wie Wissenschaftler nach Dunkler Materie suchen
Seit Ende der 1980er Jahre führen Physiker Experimente in Anlagen tief unter der Erde durch, um die Kollisionen einzelner Teilchen der Dunklen Materie zu erfassen. In den letzten 15 Jahren ist die kollektive Sensitivität dieser Experimente exponentiell gewachsen und hat sich durchschnittlich jedes Jahr verdoppelt. Zwei große Kooperationen, XENON und PandaX-II, haben kürzlich neue, noch empfindlichere Detektoren auf den Markt gebracht.
Die ersten von ihnen bauten den weltweit größten Detektor für dunkle Materie, XENON1T. Dabei wird ein 2.000 Kilogramm schweres Ziel aus flüssigem Xenon verwendet, das in einem 10 Meter hohen Wassertank platziert ist. All dies befindet sich unter der Erde in einer Tiefe von 1,4 Kilometern im Gran Sasso National Laboratory (Italien). Die PandaX-II-Anlage liegt in einer Tiefe von 2,4 Kilometern in der chinesischen Provinz Sichuan und enthält 584 Kilogramm flüssiges Xenon.
In beiden Experimenten wird Xenon verwendet, da es extrem inert ist, was dazu beiträgt, den Geräuschpegel niedrig zu halten. Darüber hinaus sind die Kerne von Xenon-Atomen relativ schwer (durchschnittlich 131 Nukleonen pro Kern), was ein „größeres“ Ziel für Teilchen der Dunklen Materie darstellt. Wenn eines dieser Teilchen mit dem Kern eines Xenon-Atoms kollidiert, erzeugt es einen schwachen, aber wahrnehmbaren Lichtblitz (Szintillation) und die Bildung einer elektrischen Ladung. Schon die Beobachtung einer kleinen Anzahl solcher Ereignisse kann uns wichtige Hinweise auf die Natur der Dunklen Materie liefern.
Bisher konnten weder bei diesen noch bei anderen Experimenten Teilchen der Dunklen Materie nachgewiesen werden, doch diese Stille kann genutzt werden, um eine Obergrenze für die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen von Teilchen der Dunklen Materie mit Teilchen der gewöhnlichen Materie festzulegen.
Können Teilchen dunkler Materie wie normale Materieteilchen Klumpen bilden?
Sie können, aber die ganze Frage ist, welche Dichte. Aus astrophysikalischer Sicht sind Galaxien dichte Objekte, ihre Dichte liegt in der Größenordnung von einem Proton pro Kubikzentimeter, und Sterne sind dichte Objekte mit einer Dichte in der Größenordnung von einem Gramm pro Kubikzentimeter. Aber es gibt einen Unterschied von 24 Größenordnungen zwischen ihnen. Typischerweise haben Wolken aus dunkler Materie eine „galaktische“ Dichte.
Haben viele Menschen die Möglichkeit, nach Teilchen der Dunklen Materie zu suchen?
Sie versuchen, die Wechselwirkungen einzelner Teilchen der Dunklen Materie mit Atomen der gewöhnlichen Materie zu erfassen, wie sie es auch mit Neutrinos tun. Aber es ist sehr schwierig, sie zu fangen, und es ist keine Tatsache, dass es überhaupt möglich ist.
Das CAST-Teleskop (CERN Axion Solar Telescope) am CERN sucht nach hypothetischen Teilchen – Axionen –, aus denen Dunkle Materie bestehen könnte.
Möglicherweise besteht Dunkle Materie grundsätzlich aus sogenannten „Spiegel“-Teilchen, die im Prinzip nur durch ihre Schwerkraft beobachtet werden können. Die Hypothese eines zweiten „Spiegel“-Universums wurde vor einem halben Jahrhundert aufgestellt; dies ist eine Art Verdoppelung der Realität.
Wir haben nur echte Beobachtungen aus der Kosmologie.
Interview mit Sergey Kuznetsov
MOSKAU, 31. Oktober – RIA Novosti, Olga Kolentsova. Berechnungen von Wissenschaftlern haben gezeigt, dass 95 % des Universums aus Materie bestehen, die noch nicht von Menschen erforscht wurde: 70 % sind dunkle Energie und 25 % sind dunkle Materie. Es wird angenommen, dass das erste ein bestimmtes Feld mit einer Energie ungleich Null darstellt, das zweite jedoch aus Teilchen besteht, die nachgewiesen und untersucht werden können. Doch nicht umsonst wird dieser Stoff „verborgene Masse“ genannt – seine Suche dauert eine ganze Weile und wird von hitzigen Diskussionen unter Physikern begleitet. Um seine Forschung der Öffentlichkeit zugänglich zu machen, hat das CERN sogar den Tag der Dunklen Materie ins Leben gerufen, der heute, am 31. Oktober, zum ersten Mal gefeiert wird.
Befürworter der Existenz dunkler Materie bringen durchaus überzeugende Argumente vor, die durch experimentelle Fakten bestätigt werden. Seine Anerkennung begann in den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts, als der Schweizer Astronom Fritz Zwicky die Geschwindigkeiten maß, mit denen sich die Galaxien des Coma-Haufens um ein gemeinsames Zentrum bewegen. Wie Sie wissen, hängt die Bewegungsgeschwindigkeit von der Masse ab. Die Berechnungen des Wissenschaftlers zeigten, dass die wahre Masse von Galaxien viel größer sein dürfte als die, die bei Beobachtungen mit Teleskopen ermittelt wurde. Es stellte sich heraus, dass ein ziemlich großer Teil der Galaxien für uns einfach nicht sichtbar war. Daher besteht es aus Materie, die kein Licht reflektiert oder absorbiert.
Der zweite Beweis für die Existenz verborgener Masse ist die Veränderung des Lichts beim Durchgang durch Galaxien. Tatsache ist, dass jedes Objekt mit Masse den geradlinigen Weg der Lichtstrahlen verzerrt. Dadurch verändert die dunkle Materie das helle Bild (Bild eines entfernten Objekts) und unterscheidet sich von dem Bild, das nur durch sichtbare Materie erzeugt würde. Es gibt zehn Beweise für die Existenz dunkler Materie, aber diese beiden sind die wichtigsten.
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
Obwohl die Beweise für die Existenz dunkler Materie recht überzeugend sind, hat noch niemand die Teilchen, aus denen sie besteht, gefunden oder untersucht. Physiker vermuten, dass diese Geheimhaltung zwei Gründe hat. Das erste ist, dass diese Teilchen eine zu große Masse haben (bezogen auf die Energie durch die Formel E=mc²), sodass die Fähigkeiten moderner Beschleuniger für die „Geburt“ eines solchen Teilchens einfach nicht ausreichen. Der zweite Grund ist die sehr geringe Wahrscheinlichkeit, dass Dunkle Materie auftritt. Vielleicht können wir es nicht genau finden, weil es äußerst schwach mit dem menschlichen Körper und den uns bekannten Partikeln interagiert. Auch wenn dunkle Materie (den Berechnungen zufolge) überall ist und ihre Teilchen buchstäblich jede Sekunde durch uns hindurchrauschen, spüren wir sie einfach nicht.
Um Teilchen der Dunklen Materie aufzuspüren, verwenden Wissenschaftler unterirdische Detektoren, um unnötige Störungen zu minimieren. Man geht davon aus, dass immer noch gelegentlich Teilchen der Dunklen Materie mit Atomkernen kollidieren, einen Teil ihres Impulses auf diese übertragen, Elektronen herausschlagen und Lichtblitze verursachen. Die Häufigkeit solcher Kollisionen hängt von der Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung der Teilchen der Dunklen Materie mit dem Kern, ihrer Konzentration und Relativgeschwindigkeit (unter Berücksichtigung der Bewegung der Erde um die Sonne) ab. Aber experimentelle Gruppen bestreiten, selbst wenn sie einen Effekt entdecken, dass dunkle Materie diese Detektorreaktion verursacht hat. Und nur die italienische Experimentalgruppe DAMA, die im Untergrundlabor von Gran Sasso arbeitet, berichtet von beobachteten jährlichen Schwankungen in der Zählrate von Signalen, die vermutlich mit der Bewegung der Erde durch die verborgene galaktische Masse zusammenhängen.
© Foto: SuperCMDS Collaboration
In diesem Experiment werden über mehrere Jahre die Anzahl und Energie der Lichtblitze im Inneren des Detektors gemessen. Forscher haben das Vorhandensein schwacher (etwa 2 %) jährlicher Schwankungen in der Zählrate solcher Ereignisse nachgewiesen.
Obwohl die italienische Gruppe selbstbewusst die Zuverlässigkeit der Experimente verteidigt, sind die Meinungen der Wissenschaftler zu diesem Thema eher zweideutig. Die Hauptschwäche der von der italienischen Gruppe erzielten Ergebnisse ist ihre Nichtwiederholbarkeit. Als beispielsweise Gravitationswellen entdeckt wurden, wurden sie von Laboren auf der ganzen Welt entdeckt und bestätigten damit die Daten anderer Gruppen. Im Fall von DAMA ist die Situation anders – niemand sonst auf der Welt kann sich rühmen, die gleichen Ergebnisse erzielt zu haben! Natürlich ist es möglich, dass diese Gruppe über leistungsfähigere Detektoren oder eigene Methoden verfügt, aber diese Einzigartigkeit des Experiments lässt bei einigen Forschern Zweifel an seiner Zuverlässigkeit aufkommen.
„Worauf sich die im Gran-Sasso-Labor gesammelten Daten genau beziehen, lässt sich noch immer nicht sagen. Eine Gruppe aus Italien lieferte jedenfalls ein positives Ergebnis und nicht ein Leugnen, was schon eine Sensation ist. Jetzt sind die Signale gefunden.“ Es muss nach einer Erklärung gesucht werden. Und dies ist ein großer Anreiz für die Entwicklung einer Vielzahl von Theorien, einschließlich solcher, die sich der Schaffung eines Modells der verborgenen Masse widmen. Aber selbst wenn ein Wissenschaftler versucht zu erklären, warum die erhaltenen Daten in keiner Weise zusammenhängen „In Bezug auf dunkle Materie kann dies immer noch ein neuer Schritt im Verständnis der Natur sein. Das Ergebnis ist auf jeden Fall und wir müssen die Arbeit fortsetzen. Aber im Moment kann ich persönlich nicht ganz zustimmen, dass dunkle Materie gefunden wurde“, kommentiert Konstantin Belotsky, leitender Forscher in der Abteilung für Elementarteilchenphysik der National Research Nuclear University MEPhI.
Ein theoretisches Konstrukt der Physik namens Standardmodell beschreibt die Wechselwirkungen aller der Wissenschaft bekannten Elementarteilchen. Doch das sind nur 5 % der im Universum vorhandenen Materie, die restlichen 95 % sind völlig unbekannter Natur. Was ist diese hypothetische Dunkle Materie und wie versuchen Wissenschaftler, sie zu entdecken? Darüber spricht Hayk Hakobyan, MIPT-Student und Mitarbeiter des Fachbereichs Physik und Astrophysik, im Rahmen eines Sonderprojekts.
Das Standardmodell der Elementarteilchen, das nach der Entdeckung des Higgs-Bosons endgültig bestätigt wurde, beschreibt die grundlegenden Wechselwirkungen (elektroschwach und stark) der uns bekannten gewöhnlichen Teilchen: Leptonen, Quarks und Kraftträger (Bosonen und Gluonen). Es stellt sich jedoch heraus, dass diese ganze riesige komplexe Theorie nur etwa 5-6 % der gesamten Materie beschreibt, während der Rest nicht in dieses Modell passt. Beobachtungen der frühesten Momente unseres Universums zeigen uns, dass etwa 95 % der uns umgebenden Materie völlig unbekannter Natur ist. Mit anderen Worten: Wir sehen die Anwesenheit dieser verborgenen Materie aufgrund ihres Gravitationseinflusses indirekt, konnten sie aber noch nicht direkt erfassen. Dieses verborgene Massenphänomen trägt den Codenamen „Dunkle Materie“.
Die moderne Wissenschaft, insbesondere die Kosmologie, arbeitet nach der deduktiven Methode von Sherlock Holmes
Der Hauptkandidat aus der WISP-Gruppe ist nun das Axion, das in der Theorie der starken Wechselwirkung auftritt und eine sehr kleine Masse hat. Ein solches Teilchen kann sich in hohen Magnetfeldern in ein Photon-Photon-Paar verwandeln, was Hinweise darauf gibt, wie man versuchen könnte, es nachzuweisen. Das ADMX-Experiment verwendet große Kammern, die ein Magnetfeld von 80.000 Gauss erzeugen (das ist das 100.000-fache des Erdmagnetfelds). Theoretisch sollte ein solches Feld den Zerfall eines Axions in ein Photon-Photon-Paar anregen, das von Detektoren erfasst werden sollte. Trotz zahlreicher Versuche ist es bisher nicht gelungen, WIMPs, Axionen oder sterile Neutrinos nachzuweisen.
So sind wir durch eine Vielzahl verschiedener Hypothesen gereist, um die seltsame Präsenz der verborgenen Masse zu erklären, und nachdem wir alle Unmöglichkeiten mit Hilfe von Beobachtungen verworfen haben, sind wir zu mehreren möglichen Hypothesen gelangt, mit denen wir bereits arbeiten können.
Ein negatives Ergebnis in der Wissenschaft ist auch ein Ergebnis, da es Einschränkungen für verschiedene Parameter von Teilchen vorsieht, beispielsweise den Bereich möglicher Massen eliminiert. Von Jahr zu Jahr führen immer mehr neue Beobachtungen und Experimente in Beschleunigern zu neuen, strengeren Einschränkungen für die Masse und andere Parameter von Teilchen der Dunklen Materie. Indem wir alle unmöglichen Optionen verwerfen und den Suchkreis einschränken, kommen wir Tag für Tag dem Verständnis näher, woraus 95 % der Materie in unserem Universum besteht.
