Die unsichtbare dunkle Materie macht den größten Teil der Masse im Universum aus und überwiegt bei weitem die Menge der Materie, die wir sehen können.(Bildnachweis: Dunkle Materie, R. Caputo et al. 2016; Hintergrund, Axel Mellinger, Central Michigan University)
Die dunkle Materie darf nicht zu schwer sein, sonst könnte sie unser bestes Modell des Universums zerstören, so neue Forschungsergebnisse.
Wir haben eine Fülle von Beweisen dafür, dass im Universum etwas faul ist. Sterne kreisen in Galaxien viel zu schnell. Galaxien bewegen sich innerhalb von Galaxienhaufen viel zu schnell. Strukturen wachsen und entwickeln sich zu schnell. Wenn wir nur die Materie zählen, die wir sehen können, gibt es einfach nicht genug Schwerkraft, um all diese Verhaltensweisen zu erklären.
Die überwiegende Mehrheit der Kosmologen glaubt, dass all diese Phänomene durch das Vorhandensein von dunkler Materie erklärt werden können, einer hypothetischen Form von Materie, die massiv und elektrisch neutral ist und kaum, wenn überhaupt, mit normaler Materie interagiert. Diese dunkle Materie macht den größten Teil der Masse im Universum aus und überwiegt bei weitem die Menge der leuchtenden Materie.
Die Identität der dunklen Materie ist nach wie vor ein Rätsel, da Experimente, die auf den Nachweis einer verirrten, seltenen Kollision abzielen, bisher nichts ergeben haben. Aber diese Experimente haben sich auf einen bestimmten Massenbereich konzentriert: etwa 10 bis 1.000 Giga-Elektronenvolt (GeV). (Ein GeV entspricht 1 Milliarde Elektronenvolt.) Das liegt im Bereich der schwersten bekannten Teilchen, wie dem W-Boson und dem Top-Quark. Jahrzehntelang favorisierten Theoretiker diesen Massenbereich, weil mehrere einfache Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik die Existenz solcher Teilchen vorhersagten.
Da wir aber noch nichts gefunden haben, fragen wir uns, ob die dunkle Materie leichter oder schwerer sein könnte, als wir dachten. Schwerere dunkle Materie stößt jedoch auf einige ernsthafte Probleme, wie eine neue Arbeit zeigt, die in der Preprint-Datenbank arXiv veröffentlicht wurde.
Das Problem ist, dass dunkle Materie manchmal mit normaler Materie interagiert, wenn auch nur selten. Aber im frühen Universum, als der Kosmos viel heißer und dichter war, waren diese Wechselwirkungen sehr viel häufiger. Als sich das Universum schließlich ausdehnte und abkühlte, verlangsamten sich diese Wechselwirkungen und hörten schließlich auf, was dazu führte, dass die dunkle Materie „einfror“ und sich still im Hintergrund hielt.
Es gibt zwar viele, viele Modelle potenzieller Kandidaten für dunkle Materie, aber viele interagieren mit regulären Teilchen durch Austausch mit dem Higgs-Boson – einem fundamentalen Teilchen, das mit fast allen anderen Teilchen interagiert und diesen Teilchen durch diese Wechselwirkungen Masse verleiht.
Wir kennen die Masse des Higgs-Bosons: etwa 125 GeV. Die Forscher fanden heraus, dass diese Masse eine grundlegende Obergrenze für die mögliche Masse der meisten Kandidaten für dunkle Materie darstellt.
Das Problem ist, dass alle Wechselwirkungen in der Physik in zwei Richtungen verlaufen. Das Higgs spricht sowohl mit dunkler Materie als auch mit normaler Materie und vermittelt in vielen Modellen die Wechselwirkungen zwischen ihnen. Aber beide Arten von Materie sprechen auch mit dem Higgs zurück. Diese Wechselwirkungen zeigen sich als leichte Änderungen der Masse des Higgs-Bosons.
Für Teilchen des Standardmodells können wir diese Korrekturen und Rückkopplungswechselwirkungen berechnen, und so haben Theoretiker die Masse des Higgs-Bosons schon lange vor seinem Nachweis vorhergesagt.
Die Forscher fanden heraus, dass, wenn das Teilchen der dunklen Materie eine Masse von mehr als ein paar tausend GeV hätte, sein Beitrag zur Higgs-Masse unglaublich wichtig wäre und sie von ihrem beobachteten Wert ablenken würde. Und da das Higgs für die Bestimmung vieler anderer fundamentaler physikalischer Phänomene von so zentraler Bedeutung ist, würde es die Teilchenwechselwirkungen im Grunde völlig zum Erliegen bringen.
Es gibt jedoch Möglichkeiten, diese Einschränkung zu umgehen. Dunkle Materie könnte überhaupt nicht mit regulären Teilchen wechselwirken, oder die Wechselwirkung könnte durch einen exotischen Mechanismus erfolgen, an dem das Higgs nicht beteiligt ist. Aber diese Modelle sind sehr selten und erfordern eine Menge Feinabstimmung und zusätzliche Schritte.
Oder es könnte sein, dass die dunkle Materie leichter ist, als wir dachten. Wenn wir nicht glauben, dass schwere dunkle Materie ein brauchbarer Kandidat ist, dann können wir, während wir weiter über diese mysteriöse Komponente des Universums lernen, unsere Bemühungen in die andere Richtung lenken. Das Interesse an Axionen, ultraleichten Teilchen, die in einigen Modellen der Teilchenphysik vorhergesagt werden und ein möglicher Kandidat für dunkle Materie sein könnten, hat bereits stark zugenommen.
Auf der experimentellen Seite können wir, wenn sich dieses Ergebnis bestätigt und sich als weit verbreitete Beschränkung der Masse von Teilchen der dunklen Materie erweist, unsere Experimente verfeinern und umgestalten, um nach Teilchen mit geringer Masse statt mit hoher Masse zu suchen.
