Das Standardmodell der Kosmologie sagt uns, dass nur 4,9% des Universums aus gewöhnlicher Materie bestehen (von dem, was wir sehen können), während der Rest aus 26,8% dunkler Materie und 68,3% dunkler Materie besteht. Energie. Wie der Name dieser Konzepte andeutet, können wir sie nicht sehen, daher muss ihre Existenz aus theoretischen Modellen, Beobachtungen der großräumigen Struktur des Universums und den offensichtlichen Gravitationseffekten, die auf sichtbare Materie auftreten, folgen.
Seit dies zum ersten Mal erwähnt wurde, gab es sicherlich keinen Mangel an Spekulationen darüber, wie Teilchen der dunklen Materie aussehen. Vor nicht allzu langer Zeit begannen viele Wissenschaftler zu glauben, dass dunkle Materie aus schwach wechselwirkenden massiven Teilchen (WIMPs, WIMPs) besteht, die etwa das 100-fache der Masse eines Protons betragen, aber wie Neutrinos interagieren. Trotzdem haben alle Versuche, WIMPs mithilfe von Teilchenbeschleunigerexperimenten zu finden, zu nichts geführt. Daher begannen die Wissenschaftler, mögliche Alternativen zur Zusammensetzung der Dunklen Materie zu finden.
Moderne kosmologische Modelle neigen dazu anzunehmen, dass die Masse der Dunklen Materie innerhalb von 100 GeV (Gigaelektronvolt) liegt, was den Massengrenzen vieler anderer Teilchen entspricht, die mit Hilfe einer schwachen Kernkraft interagieren. Die Existenz eines solchen Teilchens würde einer supersymmetrischen Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik entsprechen. Darüber hinaus wird angenommen, dass solche Teilchen in einem heißen, dichten, frühen Universum mit der Massendichte der Materie geboren worden sein sollten, die bis heute unverändert geblieben ist.
Laufende Experimente zur Identifizierung von WIMPs haben jedoch keine konkreten Beweise für die Existenz solcher Partikel gefunden. Dazu gehörten die Suche nach WIMP-Vernichtungsprodukten (Gammastrahlen, Neutrinos und kosmische Strahlen) in nahe gelegenen Galaxien und Clustern sowie direkte Partikeldetektionsexperimente mit Supercollidern wie dem LHC.
Durch Supersymmetrie vernichten sich Weicheier untereinander und erzeugen eine Kaskade von Partikeln und Strahlung, einschließlich Gammastrahlen mittlerer Energie
Viele Wissenschaftler fanden nichts und beschlossen, sich vom WIMP-Paradigma zu entfernen und anderswo nach dunkler Materie zu suchen. Eine solche Gruppe von Kosmologen CERN und CP3-Origins in Dänemark hat kürzlich eine Studie veröffentlicht, die zeigt, dass dunkle Materie viel schwerer und schwächer zu interagieren sein kann als bisher angenommen.
Eines der Mitglieder des CP-3 Origins-Forschungsteams, Dr. McCullen Sandora, sprach über die Bemühungen seines Teams:
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„Wir können das WIMP-Szenario noch nicht ausschließen, aber jedes Jahr vermuten wir mehr und mehr, als wir nichts gesehen haben. Darüber hinaus leidet die übliche schwache Skala der Physik unter einem Hierarchieproblem. Es ist unklar, warum alle uns bekannten Partikel so leicht sind, insbesondere wenn man die natürliche Schwerkraftskala betrachtet, die Planck-Skala, die etwa 1019 GeV beträgt. Wenn also dunkle Materie näher an der Planck-Skala wäre, würde sie nicht vom Hierarchieproblem betroffen sein, und das würde auch erklären, warum wir keine mit WIMPs verbundenen Signaturen gesehen haben. “
Mit einem neuen Modell, das sie Plancks Interacting Dark Matter (PIDM) nennen, untersuchen Wissenschaftler eine Obergrenze für die Masse der Dunklen Materie. Während die WIMPs die Masse der Dunklen Materie am oberen Ende der elektroschwachen Skala platzieren, schlug das dänische Forscherteam von Martias Garney, McCullen Sandora und Martin Slot ein Teilchen mit einer Masse vor, die auf einer völlig anderen natürlichen Skala liegt - dem Planckian.
Auf der Planck-Skala entspricht eine Masseneinheit 2,17645 x 10-8 Kilogramm - etwa ein Mikrogramm oder das 1019-fache der 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. Die Gruppe schlug auch vor, dass diese PIDM-Partikel nur durch Gravitation mit gewöhnlicher Materie interagieren und dass viele von ihnen im sehr frühen Universum während der Ära starker Erwärmung gebildet wurden - einer Periode, die am Ende der Inflationsära begann, irgendwo zwischen 10-36 und 10- 33 oder 10-32 Sekunden nach dem Urknall.
Diese Ära wird so genannt, weil angenommen wird, dass die Weltraumtemperaturen während der Inflation 100.000-mal gesunken sind. Als die Inflation endete, kehrten die Temperaturen auf ihr vorinflationäres Niveau zurück (etwa 1027 Kelvin). Zu diesem Zeitpunkt ist der größte Teil der potentiellen Energie des Inflationsfeldes in Teilchen des Standardmodells zerfallen, das das Universum füllte, und unter ihnen in dunkle Materie.
Natürlich hat die neue Theorie auch einige Konsequenzen für Kosmologen. Damit dieses Modell funktioniert, muss beispielsweise die Temperatur der Heizperiode höher gewesen sein als derzeit angenommen. Darüber hinaus würde eine heißere Erwärmungsperiode auch mehr primäre Gravitationswellen erzeugen, die im kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) reflektiert würden.
"Diese hohe Temperatur sagt uns zwei interessante Dinge über die Inflation", sagt Sandora. - Wenn dunkle Materie PIDM ist: Erstens verlief die Inflation bei sehr hohen Energien, die nicht nur Schwankungen der Temperatur des frühen Universums, sondern auch der Raumzeit selbst in Form von Gravitationswellen hervorrufen würden. Zweitens sagt es uns, dass die Energie der Inflation extrem schnell in Materie hätte zerfallen müssen, denn wenn es lange dauern würde, könnte das Universum bis zu dem Punkt abkühlen, an dem es überhaupt kein PIDM mehr produzieren könnte.
Die Existenz dieser Gravitationswellen kann in zukünftigen Studien des kosmischen Mikrowellenhintergrunds bestätigt oder ausgeschlossen werden. Dies sind äußerst aufregende Neuigkeiten, da die jüngste Entdeckung von Gravitationswellen voraussichtlich zu erneuten Bemühungen führen wird, Urwellen zu entdecken, die in der Entstehung des Universums verwurzelt sind.
Wie Sandora erklärte, stellt dies alles ein klares Win-Win-Szenario für Wissenschaftler dar, da der neueste Kandidat für dunkle Materie in naher Zukunft entweder entdeckt oder widerlegt wird.
„Unser Szenario macht eine eiserne Vorhersage: Wir werden Gravitationswellen in der nächsten Generation von Experimenten mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund sehen. Das heißt, dies ist eine Win-Win-Situation: Wenn wir sie sehen, ist es in Ordnung, und wenn wir sie nicht sehen, werden wir wissen, dass dunkle Materie kein PIDM ist, was bedeutet, dass wir einen Teil ihrer Wechselwirkung mit gewöhnlicher Materie erwarten müssen. Wenn das alles in den nächsten zehn Jahren passiert, können wir nur ungeduldig warten."
Seit Jacobus Kaptein 1922 erstmals die Existenz dunkler Materie vorschlug, haben Wissenschaftler nach direkten Beweisen für ihre Existenz gesucht. Einer nach dem anderen wurden Partikelkandidaten - von Gravitinos bis zu Axionen - vorgeschlagen, ausgesondert und im Bereich der fortwährenden Suche belassen. Nun, wenn dieser letzte Kandidat eindeutig abgelehnt oder bestätigt wird, ist diese Option bereits nicht schlecht.
Wenn es bestätigt wird, werden wir schließlich eines der größten kosmologischen Rätsel aller Zeiten lösen. Kommen wir dem Verständnis des Universums und der Wechselwirkung seiner mysteriösen Kräfte einen Schritt näher.
