Die Entstehung der Dunklen Materie
Manchmal scheint es, dass es die Dunkle Materie selbst ist, die sich an Wissenschaftlern für die Unaufmerksamkeit rächt, mit der ihre Entdeckung vor mehr als 80 Jahren getroffen wurde. Dann, im Jahr 1933, entdeckte der amerikanische Astronom schweizerischen Ursprungs Fritz Zwicky, der sechshundert Galaxien im Koma-Cluster 300 Millionen Lichtjahre von der Milchstraße entfernt beobachtete, dass die Masse dieses Clusters, die anhand der Bewegungsgeschwindigkeit von Galaxien bestimmt wurde, 50-mal größer ist als die Masse berechnet durch Schätzung der Leuchtkraft von Sternen.
Da er nicht die geringste Ahnung hatte, was dieser Massenunterschied ist, gab er ihm die jetzt offizielle Definition - dunkle Materie.
Sehr wenige Menschen interessierten sich lange Zeit für dunkle Materie. Astronomen glaubten, dass das Problem der verborgenen Masse von selbst gelöst werden würde, wenn es möglich wäre, vollständigere Informationen über kosmisches Gas und sehr schwache Sterne zu sammeln. Die Situation begann sich erst zu ändern, als die amerikanischen Astronomen Vera Rubin und Kent Ford 1970 die Ergebnisse von Messungen der Geschwindigkeit von Sternen und Gaswolken in der großen Spiralgalaxie M31 - dem Andromeda-Nebel - veröffentlichten. Entgegen allen Erwartungen stellte sich heraus, dass diese Geschwindigkeiten weit von ihrem Zentrum entfernt ungefähr konstant sind, was der Newtonschen Mechanik widersprach und nur unter der Annahme erklärt wurde, dass eine große Menge unsichtbarer Masse die Galaxie umgibt.
Wenn Sie auf ein Phänomen stoßen, über das nichts bekannt ist, kann eine große Anzahl von Erklärungen darauf zurückgeführt werden, und alles, was übrig bleibt, ist, sie einzeln zu sortieren, die nutzlosen beiseite zu fegen und dabei neue zu erfinden. Darüber hinaus ist es keine Tatsache, dass es unter all diesen Erklärungen richtig sein wird. Das falsche Verhalten peripherer Sterne könnte erklärt werden, indem man sich in zwei Richtungen bewegt - indem man Newtons Gesetze leicht korrigiert oder erkennt, dass es Materie auf der Welt gibt, die sich von unserer unterscheidet und die wir nicht sehen, weil die Teilchen, aus denen sie besteht, dann nicht an der elektromagnetischen Wechselwirkung teilnehmen Sie emittieren kein Licht und absorbieren es nicht. Sie interagieren nur durch die Schwerkraft mit unserer Welt.
War Newton falsch?
Die erste Richtung, dh die Gegen-Newtonsche Korrektur, entwickelte sich eher träge. Zwar schuf der israelische Theoretiker Mordechai Milgrom 1983 die sogenannte modifizierte Newtonsche Mechanik, bei der kleine Beschleunigungen auf eine wirkende Kraft etwas anders reagieren als in der Schule. Diese Theorie fand viele Anhänger und wurde bald so weit entwickelt, dass das Bedürfnis nach dunkler Materie verschwand. Es ist bemerkenswert, dass Vera Rubin selbst, eine international anerkannte Pionierin in der Erforschung der Dunklen Materie, immer zur Änderung von Newtons Gesetzen neigte - es scheint, dass sie die Idee einer Substanz, die reichlich vorhanden ist, die aber niemand jemals gesehen hat, einfach nicht mochte.
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Der schwer fassbare Weichei
Es gibt viele Kandidaten für Teilchen der Dunklen Materie, und für die meisten von ihnen gibt es einen verallgemeinernden und fast bedeutungslosen Namen "WIMPs" - dies ist die englische Abkürzung WIMPs, abgeleitet vom Begriff "Schwach wechselwirkende massive Teilchen" oder "schwach wechselwirkende massive Teilchen". Mit anderen Worten, dies sind Teilchen, die nur an gravitativen und schwachen Wechselwirkungen beteiligt sind - ihre Wirkung erstreckt sich auf Dimensionen, die viel kleiner sind als die Dimensionen des Atomkerns. Es ist auf der Suche nach diesen WIMPs als die suggestivste Erklärung, dass die Hauptanstrengungen der Wissenschaftler heute gerichtet sind.
WIMP-Detektoren, insbesondere solche, die sie für Xenon erfassen, ähneln im Prinzip Neutrinofallen. Früher glaubte man sogar, dass das Neutrino das sehr schwer fassbare WIMP ist. Die Masse dieses Teilchens erwies sich jedoch als zu klein - es ist bekannt, dass 84,5% aller Materie im Universum dunkle Materie ist und es nach Berechnungen nicht so viele Neutrinos auf dieser Masse geben wird.
Das Prinzip ist einfach. Nehmen wir zum Beispiel Xenon als das schwerste der Edelgase, das auf Stickstofftemperaturen abgekühlt und vorzugsweise niedriger ist und vor unnötigen "Gästen" wie kosmischen Strahlen geschützt ist. Um das Xenongefäß herum sind viele Fotozellen installiert, und dieses gesamte System befindet sich tief unter der Erde fährt fort zu warten. Weil Sie lange warten müssen - nach Berechnungen sollte die Länge einer Falle mit Xenon, die ein WIMP mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent durchqueren kann, 200 Lichtjahre betragen!
Unter Capture versteht man hier entweder den Flug des Weichei in der Nähe des Xenonatoms und den Flug in einer Entfernung, in der die schwache Wechselwirkung bereits funktioniert, oder einen direkten Treffer in den Kern. Im ersten Fall wird das äußere Elektron des Xenonatoms aus seiner Umlaufbahn geworfen, die durch die Ladungsänderung registriert wird. Im zweiten Fall springt es auf eine andere Ebene und kehrt sofort mit der anschließenden Emission eines Photons nach Hause zurück, das dann von Photovervielfachern registriert wird.
Sensation oder Fehler?
Bei WIMP-Detektoren ist „einfach“jedoch nicht ganz das richtige Wort. Es ist nicht sehr einfach und sehr teuer. Einer dieser Detektoren unter dem unkomplizierten Namen Xenon wurde im unterirdischen italienischen Labor von Gran Sasso installiert. Bisher wurde es zweimal geändert und trägt jetzt den Namen Xenon1T. Es wird gründlich von Verunreinigungen gereinigt, die zu Signalen führen können, die Signalen von dunkler Materie ähneln. Zum Beispiel von einem der typischen Schadstoffe - dem radioaktiven Isotop Krypton-85. Sein Gehalt an kommerziellem Xenon beträgt nur wenige Teile pro Million, aber bei der Suche nach WIMPs ist es völliger Dreck. Ausgehend von der zweiten Modifikation der Anlage - Xenon100 - reinigen Physiker daher zusätzlich Xenon und reduzieren die Schadstoffkonzentration auf Hunderte von Teilen pro Billion.
XENON100 Detektor
Foto: Wikimedia Commons
Und als sie den Detektor einschalteten, sagten sie natürlich, der geschätzte "fast". Während der ersten 100-tägigen Beobachtungssitzung zeichneten die Wissenschaftler bis zu drei Impulse auf, die den Signalen von fliegenden WIMPs sehr ähnlich waren. Sie glaubten sich selbst nicht, obwohl sie wahrscheinlich wirklich glauben wollten, aber es war 2011, das bereits von einer starken Reifenpanne geprägt war: Physiker entdeckten, dass Neutrinos, die während eines anderen Experiments vom CERN zu ihnen kamen, mit einer Geschwindigkeit flogen, die die Lichtgeschwindigkeit überstieg. Nachdem Wissenschaftler anscheinend alles überprüft hatten, was nur verifiziert werden konnte, wandten sie sich an die wissenschaftliche Gemeinschaft mit der Bitte, herauszufinden, was falsch lief. Die Kollegen schauten und konnten keine Fehler finden und sagten jedoch, dass dies nicht sein könne, weil es niemals sein könne. Und so geschah es: Wie sich herausstellte, war die Punktion nur ein Stecker mit einem schlechten Kontakt, der schwer zu bemerken war.
Und jetzt, unter dem Gewicht eines solchen Fiaskos, standen die Wissenschaftler erneut vor einer Wahl. Wenn es sich um WIMPS handelt, handelt es sich um einen garantierten und sofortigen Nobelpreis. Und wenn nicht? Das zweite Mal wollten sie nicht entehrt werden, und sie begannen zu überprüfen und erneut zu überprüfen. Als Ergebnis stellte sich heraus, dass zwei der drei Signale durchaus parasitäre Signale von Hintergrundschadstoffatomen sein können, die nicht vollständig eliminiert wurden. Und das verbleibende Signal ging überhaupt nicht in Statistiken ein, daher wäre es am besten, es zu vergessen und sich nicht mehr zu erinnern.
Der Detektor sah "nichts"
Ein weiteres "fast" ertönte, als Vertreter der Zusammenarbeit am empfindlichsten Detektor für dunkle Materie LUX (Large Underground Xenon), der sich in einer verlassenen Goldmine in South Dakota befindet, bekannt gaben, dass sie die Kalibrierung des Detektors geändert hatten. Danach hatten sie die an Gewissheit grenzende Hoffnung, dass das lang erwartete "fast" endlich wahr werden würde. Der LUX-Detektor, der vom ersten Tag seiner Existenz an viel empfindlicher war als der italienische, ist doppelt so empfindlich gegenüber schweren WIMPs und 20-mal so empfindlich gegenüber Lungen.
LUX-Detektor
Foto: Großer unterirdischer Xenon-Detektor
Während der ersten 300-tägigen Beobachtungssitzung, die im Sommer 2012 begann und im April 2013 endete, sah LUX nichts, auch wenn es zumindest aus Höflichkeit etwas hätte sehen können. Daniel McKinsey, Mitglied der LUX-Kollaboration an der Yale University, sagte: "Wir haben nichts gesehen, aber wir haben dieses 'Nichts' besser gesehen als jeder andere vor uns."
Infolge dieses "Nichts" wurden mehrere vielversprechende Versionen auf einmal vollständig verworfen, insbesondere in Bezug auf "leichte" WIMPs. Dies trug nicht zur Zusammenarbeit von Sympathisanten bei, deren Versionen von LUX abgelehnt wurden. Die Kollegen griffen sie mit einer ganzen Reihe von Vorwürfen an, weil sie das Experiment nicht korrekt durchführen konnten - die Reaktion ist ziemlich normal und wird erwartet.
Physiker wissen absolut nichts über die Masse der WIMPs - wenn überhaupt. Jetzt wird die Suche im Massenbereich von 1 bis 100 GeV durchgeführt (die Protonenmasse beträgt ca. 1 GeV). Viele Wissenschaftler träumen von WIMPs mit einer Masse von einhundert Protonen, weil Teilchen mit einer solchen Masse durch die supersymmetrische Theorie vorhergesagt werden, die zwar noch keine Theorie geworden ist, sondern nur ein sehr schönes, aber spekulatives Modell darstellt und das viele das Schicksal des Nachfolgers des Standardmodells vorhersagen. Dies wäre ein echtes Geschenk für Anhänger der Supersymmetrie, besonders jetzt, wo das Experiment am Large Hadron Collider noch keine der vorhergesagten Partikel registriert hat.
Die zweite Beobachtungssitzung am LUX-Detektor, die nächstes Jahr endet, sollte dank der bereits eingangs erwähnten Kalibrierungen die Empfindlichkeit des Detektors ernsthaft erhöhen und dazu beitragen, Weicheier verschiedener Massen zu fangen (zuvor war LUX auf die höchste Empfindlichkeit von etwa 34 GeV eingestellt), wobei ihre Signale dort erfasst wurden Sie wurden zuvor ignoriert. Mit anderen Worten, nächstes Jahr erwartet uns ein weiteres und sehr entscheidendes „fast“.
Wenn dies "fast" nicht passiert, ist es auch in Ordnung: Der nächste LZ-Detektor, der viel empfindlicher ist, ist bereits bereit, LUX zu ersetzen. Es wird voraussichtlich einige Jahre später eingeführt. Gleichzeitig bereitet die DARWIN-Kollaboration ein "Monster" mit einer Kapazität von 25 Tonnen Xenon vor, vor dem LUX mit seinen 370 kg Gas "blind" und für alles nutzlos erscheint. Es sieht also so aus, als ob Wimpam - wenn es sie gibt - einfach nichts zu verbergen hat und sich früher oder später bemerkbar macht. Die Physiker geben ihnen dafür nicht mehr als zehn Jahre.
Weichei oder Irrlicht?
Wenn die Weicheier weiterhin schwer fassbar sind, gibt es immer noch ein Axion, das ebenfalls verfolgt werden sollte. Axionen sind hypothetische Teilchen, die 1977 von den amerikanischen Physikern Roberto Peccei und Helen Quinn eingeführt wurden, um die Quantenchromodynamik von Symmetriebrechungen zu befreien. Dies sind in der Tat auch Weicheier, die zur Unterkategorie der leichteren Streifen (schwach wechselwirkende schlanke Teilchen) gehören, aber sie haben eine Besonderheit: In einem starken Magnetfeld müssen sie Photonen induzieren, mit denen sie leicht nachgewiesen werden können.
Heutzutage interessieren sich nur wenige Menschen für Axionen, und nicht einmal, weil die Menschen nicht zu sehr an sie glauben und nicht, weil ihre Registrierung mit besonderen Schwierigkeiten verbunden ist, sondern nur, weil ihre Suche mit zu hohen Kosten verbunden ist. Damit das Axion virtuelle Photonen in reale umwandeln kann, sind sehr starke Magnetfelder erforderlich - interessanterweise existieren bereits Magnete mit den erforderlichen Feldern. Der Markt bietet 18 Tesla-Magnete an, es gibt experimentelle 32 Tesla-Magnete, aber dies sind sehr teure Maschinen und nicht leicht zu bekommen. Darüber hinaus glauben diejenigen, von denen die Finanzierung solcher Forschung abhängt, nicht wirklich an die Realität der Existenz von Axionen. Vielleicht wird die Notwendigkeit, nach Axionen zu suchen, eines Tages diese finanziellen Schwierigkeiten überwinden, und bis dahin werden die Magnete möglicherweise billiger.
Trotz des scheinbar endlosen und erfolglosen Strebens nach WIMPs laufen die Dinge tatsächlich gut. Zunächst müssen Sie die einfachste und offensichtlichste Version herausarbeiten - Weicheier. Wenn sie gefunden werden und ihre Masse bekannt ist, müssen die Physiker darüber nachdenken, was diese WIMPs sind - sind sie wirklich schwere Neutralinos, eine Quantenmenge von Superpartnern des Photons, Z-Bosons und Higgs-Bosons, wie die meisten Physiker jetzt annehmen, oder so? etwas anderes. Wenn WIMPs nicht im gesamten Bereich möglicher Massen gefunden werden, müssen alternative Optionen in Betracht gezogen werden. Suchen Sie beispielsweise auf andere Weise nach WIMPs. Wenn dies beispielsweise die berühmte Majorana-Fermion ist, die selbst ein Antiteilchen ist, sollten sich solche Fermionen beim Treffen vernichten, sich in Strahlung verwandeln und eine Erinnerung an sich selbst in Form eines Überschusses an Photonen hinterlassen.
Wenn es keine Möglichkeit gibt, WIMPs zu erkennen, was eigentlich unwahrscheinlich erscheint, können Sie die Optionen mit modifizierter Newtonscher Mechanik genauer betrachten. Es wird auch möglich sein, eine völlig fantastische Version zu überprüfen (es ist noch nicht klar, wie), die mit den sieben zusätzlichen Dimensionen verbunden ist, die durch die Stringtheorie vorhergesagt werden und die uns verborgen bleiben, da sie sich zu planckgroßen Kugeln zusammengerollt haben. Nach einigen Modellen dieser Mehrdimensionalität dringt die Gravitationskraft in jede dieser Dimensionen ein und ist daher in unserer dreidimensionalen Welt so schwach. Dies erhöht jedoch die Möglichkeit, dass dunkle Materie in diesen zusammengerollten Dimensionen verborgen ist und sich nur dank der allgegenwärtigen Schwerkraft manifestiert. Es gibt auch exotische Erklärungen für dunkle Materie, die mit topologischen Defekten von Quantenfeldern verbunden sind. Während des Urknalls gibt es auch eine Hypothese, die die Dunkle Materie durch die Fraktalität der Raumzeit erklärt, und es besteht kein Zweifel daran, dass theoretische Physiker bei Bedarf etwas anderes einfallen lassen, das nicht weniger originell ist. Das Wichtigste ist, dieser Liste die einzig richtige Erklärung hinzuzufügen.
