Sie suchen nach dunkler Materie auf der Erde, im Untergrund und im Weltraum. Seine mysteriösen Teilchen sind für wissenschaftliche Instrumente unsichtbar und manifestieren sich nirgendwo. Es wurde jedoch eine solide „Evidenzbasis“für ihre Existenz gesammelt. Haben Wissenschaftler die Chance, jemals dunkle Materie zu entdecken?
Eine Schlüsselkomponente des Universums
Teilchen der dunklen Materie wurden kurz nach dem Urknall geboren, als das Universum ein glühendes Plasma war. Während sie abkühlten, bildeten sie Klumpen, die schließlich die Entstehung von Sternen und Galaxien ermöglichten. Wenn das Plasma nur gewöhnliche Teilchen enthalten würde, aus denen die Atome bestehen, würde die Strahlung sie voneinander abstoßen und ihnen nicht erlauben, irgendwelche Strukturen zu bilden. Gravitationsgebundene Objekte erschienen schnell genug, was bedeutet, dass ihnen etwas half. Eine massive Substanz hielt sie zurück. Jetzt interagiert es in keiner Weise mit gewöhnlicher Materie, strahlt nicht aus, deshalb beobachten wir es mit keiner Methode.
Auf diese Weise rekonstruieren Wissenschaftler die Entwicklung des Universums, die ohne die Beteiligung der Dunklen Materie unvollständig wäre. Zu diesem Schluss kam bereits in den 1930er Jahren der Schweizer Astronom Fritz Zwicky. Er studierte Galaxienhaufen und fragte sich, warum sie sich nicht zerstreuten. Schließlich reicht die Masse der sichtbaren Galaxien nicht aus, um den Cluster zu halten. Daher muss es eine verborgene Masse geben. Später fand diese Hypothese zahlreiche Bestätigungen zu den Anomalien in den Rotationsraten von Galaxien: Die Teile der Scheiben, die weit vom Zentrum entfernt sind, verlangsamen sich kaum, als würden sie nur aus Sternen bestehen.
Durch Gravitationslinsen kann das Vorhandensein einer verborgenen Masse indirekt erfasst werden. Dieser Effekt wird durch zwei massive Galaxien erzeugt, die sich hintereinander befinden. Licht aus einer fernen Galaxie wird durch das Gravitationsfeld einer nahe gelegenen Galaxie gebogen, und wie bei einer Linse erscheint ihr Bild. Dies gibt einen Einblick in die dunkle Materie in Galaxien, die einen riesigen unsichtbaren Lichthof um sie herum bilden. Mithilfe verschiedener Modelle berechnen Wissenschaftler die Dichteverteilung der Dunklen Materie im Halo und erraten auf dieser Grundlage die Struktur.
Links - Halo der dunklen Materie in der Galaxie NGC 4555.
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Zusammensetzung der Dunklen Materie
Physiker neigen dazu zu glauben, dass dunkle Materie aus uns unbekannten Teilchen besteht.
„Astrophysikalische Beobachtungsmethoden sagen nichts über ihre Eigenschaften aus. Es ist möglich, dass sie mit Ausnahme der Gravitationsmethode in keiner Weise interagieren. Vielleicht führen weder direkte Experimente auf der Erde noch Beobachtungen im Weltraum zu irgendetwas. Dies muss immer berücksichtigt werden “, sagt Dmitry Gorbunov, korrespondierendes Mitglied der Russischen Akademie der Wissenschaften, Chefforscher des Instituts für Kernforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften bei der RIA Nowosti.
Kandidaten für die Rolle dunkler Partikel sind ultraleichte Axionen, schwach wechselwirkende Partikel (WIMP) und ein steriles Neutrino, das die Masse und Schwingung von solaren Neutrinos erklärt.
„Das leichteste sterile Neutrino kann ein Partikel dunkler Materie sein. Es ist nicht stabil, aber es lebt sehr lange. In der Galaxie sollten solche Teilchen in Neutrinos und ein Photon zerfallen. Sie drehen sich langsam (10-3-fache Lichtgeschwindigkeit), sodass im Photonenspektrum ein Peak im Röntgenbereich erwartet wird “, sagt der Wissenschaftler.
Ihm zufolge sollte ein gutes Spektrometer in die Umlaufbahn geschickt werden, um zu versuchen, solche Ereignisse zu registrieren.
Vor zwei Jahren haben Gorbunov und Kollegen eine Hypothese über eine instabile Komponente der Dunklen Materie modelliert, um die Diskrepanz in den Ergebnissen des Planck-Weltraumteleskopexperiments zu erklären, bei dem der CMB gemessen wurde. Vielleicht war dies ein Fehler oder vielleicht ein Hinweis auf eine Eigenschaft der Dunklen Materie. Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass die dunkle Substanz eine heterogene Zusammensetzung aufweist und ein Teil davon bis heute nicht überlebt hat.
Auf der Suche nach dunklen Partikeln
Wie man Teilchen der dunklen Materie einfängt, ist eine der Schlüsselfragen in der Physik. Viele Theoretiker und Experimentatoren versuchen, darauf zu antworten. Die Art der Beobachtung hängt vom Modell ab, in das alle Eigenschaften des hypothetischen Teilchens gelegt sind. Wenn wir annehmen, dass sich die Dunkle Materie im Plasma des frühen Universums im Gleichgewicht befand - und es gab auch gewöhnliche Teilchen -, bedeutet dies, dass sie irgendwie mit ihnen interagiert. Von allen bekannten Arten von Wechselwirkungen, mit Ausnahme der Gravitationswechselwirkung, ist die schwache am besten geeignet, die während des Beta-Zerfalls eines Atomkerns auftritt.
„Unter dieser Annahme verbleibt nach dem Abkühlen des Primärplasmas die erforderliche Menge an dunkler Materie“, erklärt Dmitry Gorbunov.
Auf dieser Basis können dunkle Teilchen unter Bildung eines Elektrons und eines Positrons zerstört werden. Sie suchen nach Spuren dieser Vernichtung, aber dies ist auf jeden Fall ein Indiz dafür. Darüber hinaus sind die Ergebnisse eher unscharf, Teilchen werden abgelenkt, fliegen um die Galaxie, vernichten, verlieren Energie, und was die Erde erreicht, ist vor dem Hintergrund der kosmischen Strahlung schwer zu unterscheiden.
Sie versuchen, dunkle Partikel direkt in unterirdischen Detektoren zu beobachten, die Neutrinos registrieren. Unter der Erde nimmt der Hintergrund der atmosphärischen Partikel ab, die Detektorsubstanz kühlt ab und Sie müssen warten, bis ein Partikel der dunklen Materie darauf trifft. Diese Ereignisse sind an sich selten, da das Teilchen, wenn es interagiert, schwach ist. Der Aufprall verursacht eine Anregung des Atoms und einen Energiestoß, der vom Detektor aufgezeichnet wird.
Gleichzeitig ist es unmöglich, das Volumen der Detektorsubstanz unendlich zu erhöhen, um die Wahrscheinlichkeit des Durchgangs dunkler Partikel ohne Empfindlichkeitsverlust zu erhöhen. Zusätzlich stören Neutrinos das Signal. Um es abzuschalten, müssen Sie möglicherweise einen komplett neuen Detektor bauen, um dieses Signal zu unterschreiten.
„Es ist notwendig, die Erfassung der Aufprallrichtung des Partikels zu verwenden. Dies wird den Hintergrund erheblich unterdrücken, da Neutrinos in Richtung der Sonne fliegen und dunkle Materie in andere Richtungen trifft “, spezifiziert der Wissenschaftler.
Die dritte Richtung ist die Erzeugung eines Partikels der dunklen Materie infolge der Kollision gewöhnlicher Partikel am LHC und anderen Beschleunigern. Für einen Beobachter sieht es beispielsweise aus wie ein Photon, das zur Seite geflogen ist. Nach dem Gesetz der Impulserhaltung sollte ein Teilchen auch in die andere Richtung herausfliegen, aber es gibt keine. Sie ist also unsichtbar.
Bisher war keine der Methoden zum Auffangen von Partikeln der dunklen Materie erfolgreich. Es ist nicht einmal klar, welcher von ihnen der vielversprechendste ist.
Zusammensetzung des Universums / Illustration von RIA Novosti.
Tatiana Pichugina
