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Wissenschaftler theoretisieren, dass es subatomare Teilchen geben könnte, die wir noch nicht entdeckt haben.(Bildnachweis: koto_feja/Getty Images)

Was macht die Materie aus, die wir im Universum wahrnehmen?

Zu Beginn gibt es die üblichen Verdächtigen, wie Elektronen, Protonen, Quarks und Neutrinos. Aber wenn dir diese Teilchen nicht seltsam genug sind, bin ich hier, um dir zu helfen.

Es gibt noch andere Teilchen, die so selten sind, dass wir nicht einmal wissen, ob sie überhaupt existieren. Hier sind fünf der seltsamsten und seltensten hypothetischen Teilchen im Universum.

Dunkles Photon

Jeder liebt das Photon. Es verträgt sich mit so vielen anderen Teilchen. Es hat eine unendliche Reichweite. Es bringt Taschenlampen zum Leuchten. Aber es ist vielleicht nicht die einzige Art von Photon, die es gibt. Es gibt das dunkle Photon, das wie ein normales Photon ist, nur eben … dunkel.

Die Motivation für das dunkle Photon ergibt sich aus den Rätseln der dunklen Materie und der dunklen Energie. Bei der dunklen Materie handelt es sich um eine unsichtbare Form von Materie, die den größten Teil der Masse fast aller Galaxien ausmacht und insgesamt etwa 25 % der Energie des Universums ausmacht. Die dunkle Energie ist für die beschleunigte Expansion des Universums verantwortlich und macht 70 % des Inhalts des Kosmos aus.

Eine der vielen Fragen, mit denen die Kosmologen konfrontiert sind, ist, wie einfach oder kompliziert diese dunklen Komponenten sind. Wir wissen, dass die normale Materie faszinierend komplex ist und eine Vielzahl von Teilchen und Kräften im Spiel ist. Ist der dunkle Sektor, wie er genannt wird, groß, einfach und dumm, oder ist er so reichhaltig und vielfältig wie die helle Seite des Universums?

Wenn der dunkle Sektor komplex ist, könnte es zusätzliche Naturkräfte geben, die nur zwischen dunkler Materie und/oder dunkler Energie wirken, und dunkle Photonen wären die Träger dieser Kräfte. Bisher wurden noch keine Beweise für dunkle Photonen gefunden, aber wir haben noch viel zu lernen.

Kurvaton

Lassen Sie uns zu den frühesten Momenten des Urknalls zurückgehen. Kosmologen glauben, dass unser Universum eine Periode unglaublich schneller Ausdehnung durchlief, die als Inflation bezeichnet wird. Angetrieben wurde dieses Ereignis von einer mysteriösen Substanz im Universum, die als „Inflaton“ bekannt ist (im Grunde eine Art dunkle Energie auf Steroiden).

Inflation ist immer noch hypothetisch, aber sie hat eine starke Vorhersage: die kosmische Struktur. Die statistischen Eigenschaften der Strukturen in unserem Universum stimmen mit dem überein, was wir von der kosmischen Inflation erwarten. Daher glauben wir, dass dieses dramatische Ereignis den Grundstein für die Sterne, Galaxien und Haufen gelegt hat, die später entstanden sind.

Trotz dieses Erfolgs hat die Inflation einige heikle Probleme. Zum einen ist es schwierig, Inflationsmodelle zu entwickeln, die „natürlich“ sind – in dem Sinne, dass sie ohne jegliche Feinabstimmung beginnen und enden – und dennoch den Grundstein für die kosmische Struktur legen. Um dieses Problem zu umgehen, haben einige Theoretiker ein Gegenstück zum Inflaton vorgeschlagen, das so genannte Curvaton.

Die Aufgabe des Curvaton ist es, abzuwarten, während die Inflation ihr Ding macht. Dann tritt das Curvaton auf den Plan und legt den Grundstein für die Struktur. Der Vorteil dieses Ansatzes ist, dass Inflationsmodelle „natürlicher“ sein können, weil wir nicht eine Entität – das Inflaton – dazu zwingen, die ganze Arbeit im frühen Universum zu erledigen.

Der Nachteil dieses Ansatzes ist, dass wir eine hypothetische Entität durch zwei ersetzen, was die Bedenken, dass wir vielleicht das ganze Bild der Inflation falsch verstehen, nicht gerade mindert. Aber das Curvaton ist es trotzdem wert, untersucht zu werden, denn die Forschung in dieser Richtung könnte einen vielversprechenden Weg eröffnen. Außerdem hat es einen wirklich coolen Namen.

Glueball

Der Träger der starken Kraft ist ein als Gluon bekanntes Teilchen, von dem es neun Arten gibt.

Das Lustige an Gluonen ist: Sie können auch die starke Kraft spüren. Unsere besten Modelle des Protons sagen uns also, dass Gluonen ein heißes Pflaster für die Wechselwirkungen der starken Kraft sind. Und sie sind nicht das einzige heiße Eisen der Wechselwirkungen der starken Kraft. Protonen und Neutronen haben drei Quarks (und Gluonen), und es gibt eine ganze Familie von Teilchen namens Mesonen, die zwei Quarks (und Gluonen) enthalten.

Wir haben also all diese Kombinationen von Quarks und Gluonen, die durch die starke Kernkraft zusammengehalten werden. Aber wenn Gluonen ohnehin die starke Kernkraft spüren, warum lassen wir dann nicht einfach den Quark-Teil weg? Warum es so kompliziert machen? Halten Sie es einfach. Und so sind wir auf den Glueball gekommen, ein schweres Teilchen, das aus nichts anderem besteht als aus einer Ansammlung von Gluonen … zusammengeklebt.

Eine Illustration von Gluonen, die ein anderes Teilchen zusammenhalten. (Bildnachweis: Sefa kart/Getty Images)

Was den Glueball so schwer fassbar macht, ist seine unglaubliche Flüchtigkeit mit einer Lebensdauer von weniger als einer Mikrosekunde. Das ist nicht sonderlich überraschend, denn jede Kombination von Quarks und Gluonen, mit Ausnahme des Protons, ist auch für sich genommen instabil. Aber man erwartet, dass die Glueballs eine außergewöhnlich kurze Lebensdauer haben, sonst hätten wir sie schon längst in unseren Gärten herumschweben sehen.

Aber Glueballs haben auch Massen, die in der Größenordnung von fast allen anderen zusammengesetzten Teilchen liegen. Es könnte also sein, dass wir es schaffen, ohne es zu merken, denn wenn wir in einem Collider ein überraschendes neues Teilchen sehen, können wir normalerweise nur seine Masse bestimmen. Das bedeutet, dass wir seit 2013 viele Kandidaten für Glueballs beobachtet haben, aber was wir gesehen haben, könnten auch andere Teilchen sein, die viel weniger exotisch sind.

Heutzutage gibt es ganze Experimente wie GlueX, die sich der Suche nach Glueballs widmen. Es ist die letzte große Vorhersage des Standardmodells, die noch gilt, also lohnt es sich, nach diesen seltsamen Teilchen zu suchen.

X17

Wir haben versucht, das Standardmodell der Teilchenphysik zu überwinden, seit wir es erfunden haben. Und 2015 bekamen Physiker am ATOMKI, dem ungarischen Institut für Kernforschung, ein Signal, dass etwas falsch sein könnte.

Das Team hatte eine Apparatur aufgebaut, um nach dunklen Photonen zu suchen. Dabei wurden Protonen auf Lithium-7-Kerne geschossen, die sich dann in Beryllium-8-Kerne umwandelten, die dann zerfielen und Paare von Elektronen und Positronen erzeugten. Diese Paare flogen in verschiedenen Winkeln davon, und die Wissenschaftler verwendeten kernphysikalische Berechnungen, um die Verteilung dieser Winkel vorherzusagen. Wenn sie mehr dieser Teilchen bekamen als erwartet, könnte das daran liegen, dass dunkle Photonen im Spiel waren.

Und tatsächlich fand das ungarische Team zusätzliche Elektronen und Positronen. Um das Signal wiederherstellen zu können, musste es ein neues Teilchen mit einer Masse von 17 MeV (34-mal so viel wie die Masse des Elektrons) geben, und so erhielt dieses mysteriöse neue Teilchen einen Namen: X17.

In den folgenden Jahren hat das ungarische Team eine beeindruckende Liste von Erfolgen erzielt, die alle auf die Realität dieses neuen Teilchens hindeuten, einschließlich einer statistischen Signifikanz von über 6 Sigma und der Zusammenarbeit mit Kollegen, um ähnliche Signale zu finden.

Dennoch zweifelt der Großteil der etablierten Physikgemeinde an X17. Alle „unabhängigen“ Bestätigungen weisen eine Art Fingerabdruck des ursprünglichen ungarischen Teams auf, und niemand außerhalb dieses Netzwerks war in der Lage, den Effekt zu reproduzieren.

Außerdem gibt es einige relativ plausible Erklärungen für die Anomalie, die sich aus der Geometrie des Detektors ergeben. Angesichts der Tatsache, dass wir keine neuen Beweise für das Teilchen sehen, werde ich mir noch keine Hoffnungen machen, so sehr ich mir auch die Existenz von X17 wünschen würde.

Preon

Die Elemente, wie Helium und Aluminium, gibt es schon. Sie bestehen aus fundamentalen Teilchen wie dem Proton, Neutron und Elektron. Aber diese bestehen aus noch kleineren Teilchen: Quarks. Warum also dort aufhören? Vielleicht sind die so genannten fundamentalen Teilchen des Universums in Wirklichkeit zusammengesetzte Strukturen aus noch kleineren Objekten, den Präonen (wie in „Prä-Quarks“, nicht zu verwechseln mit Prionen.

Einer der wichtigsten Beweggründe für Preonen ist, dass viele Teilchen einander extrem ähnlich sind, sich aber nur geringfügig unterscheiden. Elektron und Positron unterscheiden sich beispielsweise nur in der Ladung, und Elektron und Myon unterscheiden sich nur in der Masse. Wir haben derzeit keine Erklärung für diese nahezu identischen Eigenschaften, daher vermuten wir, dass sie durch andere Wechselwirkungen entstehen.

Preonen wurden vorgeschlagen, um … nun ja, so ziemlich jedes offene Problem des Standardmodells zu erklären, von der Frage, warum es nur drei Generationen gibt, bis hin zur Frage, was dunkle Materie ist. Aber nichts scheint zu funktionieren, und das liegt daran, dass kein Experiment einen Hinweis darauf gegeben hat, dass Quarks und Leptonen zusammengesetzte Teilchen sind. Wir versuchen so sehr wie möglich, sie zu zerschlagen, aber sie bleiben einfach sie selbst.