Das Standardmodell der Kosmologie sagt uns, dass nur 4,9% des Universums aus gewöhnlicher Materie bestehen (d. H. Der, die wir sehen können), während der Rest aus 26,8% dunkler Materie und 68,3% dunkler Energie besteht. Wie die Namen vermuten lassen, können wir sie nicht sehen, daher musste ihre Existenz auf der Grundlage theoretischer Modelle, Beobachtungen der großräumigen Struktur des Universums und ihrer offensichtlichen Gravitationseffekte auf sichtbare Materie abgeleitet werden.
Seit dem ersten Vorschlag gab es keinen Mangel an Vorschlägen, wie Partikel der Dunklen Materie aussehen. Vor nicht allzu langer Zeit schlugen viele Wissenschaftler vor, dass Dunkle Materie aus schwach wechselwirkenden massiven Teilchen (WIMPs) besteht, die etwa das 100-fache der Masse eines Protons betragen, aber wie Neutrinos interagieren. Alle Versuche, WIMPs mithilfe von Collider-Experimenten zu finden, sind jedoch erfolglos geblieben. Daher haben Wissenschaftler in letzter Zeit die Idee untersucht, dass dunkle Materie aus etwas ganz anderem bestehen könnte.
Aktuelle kosmologische Modelle neigen dazu anzunehmen, dass die Masse der Dunklen Materie etwa 100 Gev (Giga-Elektrovolt) beträgt, was der Massenskala vieler anderer Teilchen entspricht, die über schwache Kernkraft interagieren. Die Existenz eines solchen Teilchens würde mit supersymmetrischen Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik übereinstimmen. Es wird ferner angenommen, dass solche Teilchen im heißen, dichten, frühen Universum mit einer Materiedichtendichte erzeugt worden wären, die bis heute konstant geblieben ist.
Laufende experimentelle Bemühungen zum Nachweis von WIMPs haben jedoch keine konkreten Beweise für diese Partikel erbracht. Dazu gehören die Suche nach Produkten der WIMP-Vernichtung (d. H. Gammastrahlen, Neutrinos und kosmische Strahlen) in nahe gelegenen Galaxien und Clustern sowie direkte Detektionsexperimente mit Supercollidern wie dem CERN Large Hadron Collider (LHC) in der Schweiz.
Aus diesem Grund haben viele Forscherteams begonnen, über das WIMP-Paradigma hinaus nach Dunkler Materie zu suchen. Ein solches Team besteht aus einer Gruppe von Kosmologen von CERN und CP3-Origins in Dänemark, die kürzlich eine Studie veröffentlicht haben, die darauf hinweist, dass Dunkle Materie viel schwerer sein und viel weniger interagieren könnte als bisher angenommen.
Wie Dr. McCullen Sandora, eines der Mitglieder des Forschungsteams von CP-3 Origins, dem Space Magazine per E-Mail mitteilte:
"Wir können das WIMP-Szenario noch nicht ausschließen, aber mit jedem Jahr wird immer mehr vermutet, dass wir nichts gesehen haben." Darüber hinaus leidet die übliche schwache Physik unter dem Hierarchieproblem. Das ist der Grund, warum alle Partikel, die wir kennen, so leicht sind, insbesondere in Bezug auf die natürliche Schwerkraftskala, die Planck-Skala, die etwa 10 beträgt19 GeV. Wenn also dunkle Materie näher an der Planck-Skala wäre, würde sie nicht vom Hierarchieproblem betroffen sein, und dies würde auch erklären, warum wir die mit WIMPs verbundenen Signaturen nicht gesehen haben. "
Mit einem neuen Modell, das sie Planckian Interacting Dark Matter (PIDM) nennen, hat das Team die Obergrenze der Masse der Dunklen Materie untersucht. Während WIMPs die Masse der Dunklen Materie an der Obergrenze der elektroschwachen Skala platzieren, schlug das dänische Forscherteam von Marthias Garny, McCullen Sandora und Martin S. Sloth ein Teilchen mit einer Masse nahe einer anderen natürlichen Skala vor - der Planck-Skala.
Auf der Planck-Skala entspricht eine einzelne Masseneinheit 2,17645 × 10-8 kg - ungefähr ein Mikrogramm oder 1019 mal größer als die Masse eines Protons. Bei dieser Masse ist jedes PIDM im Wesentlichen so schwer wie ein Partikel sein kann, bevor es zu einem schwarzen Miniaturloch wird. Das Team vermutet auch, dass diese PIDM-Partikel nur durch Gravitation mit gewöhnlicher Materie interagieren und dass sich eine große Anzahl von ihnen im sehr frühen Universum während der „Wiedererwärmungs“ -Epoche gebildet hat - einer Periode, die am Ende der Inflationsepoche auftrat, etwa 10-36 t0 10-33 oder 10-32 Sekunden nach dem Urknall.
Diese Epoche wird so genannt, weil angenommen wird, dass die kosmischen Temperaturen während der Inflation um den Faktor 100.000 gesunken sind. Als die Inflation endete, kehrten die Temperaturen auf ihre vorinflationäre Temperatur zurück (geschätzte 10)27 K). Zu diesem Zeitpunkt zerfiel die große potentielle Energie des Inflationsfeldes in Standardmodellpartikel, die das Universum füllten, einschließlich Dunkler Materie.
Natürlich hat diese neue Theorie auch Auswirkungen auf die Kosmologen. Damit dieses Modell funktioniert, müsste beispielsweise die Temperatur der Wiedererwärmungsepoche höher gewesen sein als derzeit angenommen. Darüber hinaus würde eine heißere Wiedererwärmungsperiode auch zur Erzeugung von primordialeren Gravitationswellen führen, die im kosmischen Mikrowellenhintergrund (Cosmic Microwave Background, CMB) sichtbar wären.
"Eine so hohe Temperatur sagt uns zwei interessante Dinge über die Inflation", sagt Sandora. „Wenn sich dunkle Materie als PIDM herausstellt: Die erste ist, dass die Inflation mit einer sehr hohen Energie erfolgte, was wiederum bedeutet, dass sie nicht nur Schwankungen der Temperatur des frühen Universums, sondern auch der Raumzeit selbst erzeugen konnte. in Form von Gravitationswellen. Zweitens sagt es uns, dass die Energie der Inflation extrem schnell in Materie zerfallen musste, denn wenn es zu lange gedauert hätte, hätte sich das Universum so weit abgekühlt, dass es überhaupt keine PIDMs mehr hätte produzieren können. “
Die Existenz dieser Gravitationswellen könnte durch zukünftige Studien mit kosmischem Mikrowellenhintergrund (CMB) bestätigt oder ausgeschlossen werden. Dies sind aufregende Neuigkeiten, da die jüngste Entdeckung von Gravitationswellen voraussichtlich zu erneuten Versuchen führen wird, Urwellen zu entdecken, die bis zur Entstehung des Universums zurückreichen.
Wie Sandora erklärte, stellt dies ein Win-Win-Szenario für Wissenschaftler dar, da dies bedeutet, dass dieser neueste Kandidat für Dunkle Materie in naher Zukunft bewiesen oder widerlegt werden kann.
„Unser Szenario macht eine konkrete Vorhersage: Wir werden Gravitationswellen in der nächsten Generation von Experimenten mit kosmischem Mikrowellenhintergrund sehen. Daher ist es ein No-Lose-Szenario: Wenn wir sie sehen, ist das großartig, und wenn wir sie nicht sehen, wissen wir, dass dunkle Materie kein PIDM ist, was bedeutet, dass wir wissen, dass es einige zusätzliche Interaktionen geben muss mit gewöhnlicher Materie. Und all dies wird in den nächsten zehn Jahren geschehen, worauf wir uns sehr freuen können. “
Seit Jacobus Kapteyn 1922 erstmals die Existenz der Dunklen Materie vorschlug, haben Wissenschaftler nach direkten Beweisen für ihre Existenz gesucht. Und nacheinander wurden Kandidatenpartikel - von Gravitinos und MACHOS bis hin zu Axionen - vorgeschlagen, gewogen und als mangelhaft befunden. Wenn nichts anderes, ist es gut zu wissen, dass die Existenz dieses neuesten Kandidatenteilchens in naher Zukunft nachgewiesen oder ausgeschlossen werden kann.
Und wenn es sich als richtig erwiesen hat, haben wir eines der größten kosmologischen Rätsel aller Zeiten gelöst! Ein Schritt näher, um das Universum wirklich zu verstehen und wie seine mysteriösen Kräfte interagieren. Theorie von allem, hier kommen wir (oder nicht)!
