Werden wir jemals herausfinden, was dunkle Materie ist?

Die Suche nach schwer fassbarer Materie stößt an ihre Grenzen

Für die meisten Astronomen ist dunkle Materie so real wie Sterne und Planeten. Wir erstellen routinemäßig Karten seiner Verbreitung. Wir stellen uns Galaxien als Stücke dunkler Materie vor, von denen viele mit leuchtender Materie durchsetzt sind. Wir verstehen die Bildung der kosmischen Struktur und die Entwicklung des gesamten Universums als Ganzes unter dem Gesichtspunkt der Dunklen Materie. In über einem Jahrzehnt ausgefeilter Suche konnte jedoch niemand dunkle Materie direkt erkennen. Wir sehen den Schatten, den sie wirft, aber wir haben keine Ahnung, was sich in der dunklen Hälfte des Universums verstecken könnte.

Dies sind definitiv keine gewöhnlichen Objekte oder Partikel - diese Option ist seit langem ausgeschlossen. Theoretische Argumente sprechen für eine neue Art von Teilchen, die schwach mit gewöhnlicher Materie interagieren. Eine große Anzahl solcher Teilchen muss zu jedem Zeitpunkt unseren Planeten passieren, und wir sollten erwarten, dass einige von ihnen eine Spur hinterlassen. Physiker züchteten Kristalle, füllten kryogene Tanks, vergruben sie tief unter der Erde, um gewöhnliche Partikel auszuschließen, und suchten nach winzigen Wärmeimpulsen und Lichtblitzen, die etwas abgeben sollten, was wir zuvor noch nicht gesehen hatten. Und bis jetzt sind die Ergebnisse nicht ermutigend. In Lead, South Dakota, läuft das LUX-Experiment anderthalb Meilen unter der Erde in einer verlassenen Goldmine. Und ich habe nichts gefunden. In China läuft das PandaX-Experiment im unterirdischen Labor von Jin-Ping in einem Tunnel unter einer 2,4 km dicken Steinschicht. Er hat nichts gefunden. Im Straßentunnel bei Frejus in den französischen Alpen fand das in einer Tiefe von 1,7 km durchgeführte EDELWEISS-Experiment nichts. Diese Liste geht weiter.



Null-Ergebnisse verengen schnell die Bereiche des Parameterraums, in denen dunkle Materie versteckt werden kann. Aufgrund des akuten Datenmangels begannen theoretische Physiker, Theorien über noch exotischere Teilchen aufzustellen, aber die meisten dieser Kandidaten wären noch schwieriger zu erkennen. Man könnte stattdessen hoffen, Partikel der dunklen Materie am Teilchenbeschleuniger zu erhalten und so eine Schlussfolgerung über ihre Anwesenheit zu ziehen: indem man sieht, ob die Energie bei Teilchenkollisionen verloren gegangen ist. Aber der Large Hadron Collider hat genau das getan und so etwas bisher noch nicht gefunden. Einige Theoretiker vermuten, dass es keine dunkle Materie gibt, und unsere Gravitationstheorie - Einsteins allgemeine Relativitätstheorie - hat uns in die Irre geführt. GTR sagt uns, dass Galaxien auseinander fliegen würden, wenn sie nicht durch unsichtbare Materie zusammengehalten würden, aber vielleicht ist diese Theorie falsch. Die allgemeine Relativitätstheorie hat jedoch alle beobachtbaren Prüfungen bestanden, und alle konkurrierenden Theorien weisen fatale Mängel auf.

85 Prozent aller Materie sind uns unbekannt. Vor allem befürchten wir, dass es immer so sein wird.

Obwohl die meisten Experimente nichts ergaben, behaupten zwei von ihnen, dunkle Materie entdeckt zu haben. Beide Aussagen sind äußerst kontrovers, jedoch aus verschiedenen Gründen. Sie mögen falsch sein, verdienen aber sorgfältige Überlegungen. Zumindest diese Fälle zeigen die Schwierigkeit, dunkle Materie unter den Placern der Raummaterie zu finden.

Der DAMA / LIBRA-Partikeldetektor im Gran Sasso National Laboratory in einem Tunnel 1,4 km unter der Oberfläche eines Berges in Norditalien sucht nach Lichtblitzen, die von Partikeln der dunklen Materie erzeugt werden, die von Atomkernen in einem Natriumiodidkristall gestreut werden. Er sammelt seit dreizehn Jahren Daten und hat etwas Ungewöhnliches aufgezeichnet. Die Anzahl der Partikeldetektionen nimmt saisonal zu und ab; Das Maximum ist im Juni und das Minimum ist im Dezember.

Es ist diese Art von Verhalten, das von dunkler Materie erwartet werden kann. Es wird angenommen, dass es eine ausgedehnte Wolke bildet, die die Milchstraße umgibt. Unser Sonnensystem als Ganzes bewegt sich durch diese Wolke. Einzelne Planeten bewegen sich jedoch aufgrund ihrer Umlaufbahn um die Sonne mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch die Wolke. Die Geschwindigkeit der Erde relativ zur vorgeschlagenen Wolke ist im Juni maximal und im Dezember minimal. Dies würde die Geschwindigkeit bestimmen, mit der Partikel der dunklen Materie durch einen Detektor auf der Erde fliegen.

Niemand bestreitet, dass DAMA saisonale Modulationen mit sehr hoher statistischer Signifikanz erkennt. Viele andere Partikelquellen schwanken jedoch auch aufgrund der Jahreszeiten - zum Beispiel Grundwasserflüsse (die die Radioaktivität im Hintergrund beeinflussen) oder die Produktion von Partikeln wie Myonen in der Atmosphäre. Nach den neuesten Schätzungen weisen fünf weitere Experimente auf der ganzen Welt Einschränkungen auf, die nicht mit den DAMA-Behauptungen übereinstimmen. Die einzige Möglichkeit, die Ergebnisse zu überprüfen, besteht darin, das Experiment mit demselben Detektor an anderen Stellen zu wiederholen. Mehrere solcher Experimente werden bereits vorbereitet. Eine davon wird sich am Südpol befinden, wo saisonale lokale Effekte außer Phase sind und sich von denen in Italien unterscheiden.

Der zweite faszinierende Hinweis auf dunkle Materie stammte aus indirekten Experimenten, bei denen nicht direkt nach schwer fassbaren Partikeln gesucht wurde, sondern nach Sekundärpartikeln, die sie bei Kollision und anschließender Vernichtung erzeugen sollten. Der auf dem russischen Satelliten Resurs-DK installierte und von Spezialisten aus Russland, Italien, Deutschland und Schweden entwickelte PAMELA- Detektor (Payload for Antimatter / Matter Exploration and Light-Nuclei Astrophysics) beobachtete 2008 einen unerwartet großen Wert die Anzahl der Positronen - Analoga von Elektronen in Antimaterie - aus den Tiefen des Weltraums. Die Beobachtung wurde kürzlich durch ein magnetisches Alpha-Spektrometer an Bord der ISS bestätigt. Währenddessen berichtete das Fermi-Weltraum-Gammateleskop über das gestreute Leuchten von Gammastrahlen, die sich vom Zentrum der Galaxie ausbreiten. Seine Form entspricht der Dunklen Materie - sphärisch symmetrisch zum Zentrum der Galaxie, wobei die Intensität zur Mitte hin zunimmt.

Es ist fast zu schön um wahr zu sein. Leider können Beobachtungen von Positronen und Gammastrahlen auch durch schnell rotierende Neutronensterne, Millisekundenpulsare, erklärt werden. Die Parameter von Positronen entsprechen nicht geeigneten Kandidaten für dunkle Materie. Um diesen Fall zu behandeln, muss geprüft werden, ob Positronen aus Richtungen bekannter Neutronensterne stammen. Schwankungen der Gammastrahlen wurden bereits den vielen schwachen Pulsaren im Zentrum der Galaxie zugeschrieben. Wenn Gammastrahlen von dunkler Materie kommen würden, müssten Astronomen ein ähnliches Signal von benachbarten Zwerggalaxien erkennen, die ein proportional größeres Volumen an dunkler Materie als unsere haben. Es wurden keine derartigen Signale festgestellt.

Die meisten Suchversuche konzentrieren sich auf die einfachsten Partikelkandidaten, die als WIMPs bekannt sind und schwach mit massiven Partikeln interagieren. Das Wort "schwach" hat hier eine doppelte Bedeutung: Die Wechselwirkung ist nicht stark und erfolgt durch das sogenannte. schwache nukleare Wechselwirkung . Solche Teilchen sind eine natürliche Erweiterung des Standardmodells in der Teilchenphysik. Ohne alle Details zu kennen, können Sie anhand des Adverbs „schwach“ verstehen, wie viele solcher Teilchen sich im Universum befinden sollten. In der heißen prähistorischen Suppe des Urknalls wurden Partikel auf natürliche Weise erzeugt und zerstört. Mit der Expansion des Universums sinkt die Temperatur und verschiedene Arten von Partikeln treten nacheinander auf, je nach Masse. Partikel können abhängig von der Stärke der Wechselwirkung weiterhin mit einer Geschwindigkeit zerstört werden, bis sie zu selten verteilt sind, um miteinander zu kollidieren.

Angesichts der Kraft der WIMP-Interaktion ist es möglich, Berechnungen durchzuführen und festzustellen, dass eine beobachtbare Menge dunkler Materie im Kessel des frühen Universums erscheinen sollte. Die resultierenden Partikel sollten hunderte Male mehr wiegen als das Proton. Aus den mit dem Standardmodell und der Supersymmetrie verbundenen Berechnungen folgt die Existenz einer geeigneten Parameterzone für Partikel der dunklen Materie - diese Tatsache wurde als „WIM-Wunder“ bezeichnet.

Aber wahrscheinlich ist dies der Fall, wenn eine hässliche Tatsache eine schöne Hypothese tötet. Die Verzweiflung unter Physikern wächst und sie suchen bereits nach Optionen, die zuvor als zweitklassige und unwahrscheinliche Gelegenheiten angesehen wurden.

Vielleicht sind Teilchen der dunklen Materie extrem massiv. Es gibt einen natürlichen Kompromiss: Je massereicher das Teilchen ist, desto weniger werden sie benötigt, um der von Astronomen beobachteten Gesamtmasse zu entsprechen. Es kann also so wenige geben, dass unsere Detektoren sie nicht bemerken. Physiker benötigen eine völlig andere Suchstrategie, die möglicherweise mit dem Einfluss dieser Teilchen auf alte Neutronensterne oder andere Himmelsobjekte zusammenhängt.

Umgekehrt können Partikel der dunklen Materie zu hell sein, um Spuren in unseren Detektoren zu hinterlassen. Physiker können den Detektor verwenden, den wir bereits für ihre Suche zur Verfügung haben: die Sonne. Die Sonne kann Partikel einfangen, wenn sie sich durch eine galaktische Wolke dunkler Materie bewegt. Teilchen können von Protonen in der Sonne gestreut werden und ihr Temperaturporträt ändern. Dies beeinflusst die turbulente Bewegung von Gaswirbeln, die in den oberen Schichten der Sonne steigen, fallen und sich verdrehen. Und wir müssen dies mithilfe der Helioseismologie erkennen , einer Wissenschaft, die die Störungen untersucht, die sich in der Sonne ausbreiten, und ihre Auswirkungen auf ihre Oberfläche - genau wie die Seismologie Erdbeben untersucht. Es stellt sich heraus, dass es in der Helioseismologie ungeklärte Anomalien gibt, die sich nur schwer mit dem Standardmodell der Sonne vereinbaren lassen.

Wenn sich dunkle Materieteilchen in der Sonne ansammeln, können sie sich in ihrem Kern vernichten. Dies wird zum Auftreten energiereicher Neutrinos führen, die von Detektoren wie Super Kamiokande in Zentraljapan und IceCube am Südpol gesehen werden können. Bisher gab es keine Berichte über Ereignisse, die für diese Rolle geeignet sind.

Das extremste Beispiel für ein leichtes Teilchen ist ein Axion , ein hypothetisches schwach wechselwirkendes Teilchen mit einer Masse, die eine Billion Mal kleiner ist als die eines Protons. Es wird nicht vollständig dunkel sein, sondern mit dem elektromagnetischen Feld interagieren und in der Lage sein, Mikrowellenphotonen innerhalb der Tröge starker Magnetfelder zu erzeugen. Experimente, die versuchen, Axion zu erkennen, funktionieren seit den 1980er Jahren und sie haben nicht mehr Erfolge als WIMP-Detektoren.

Vielleicht ist ein dunkles Teilchen überhaupt kein Teilchen, sondern ein "Teilchen", wie ein Theoretiker sagte. Nichtteilchen sind entfernte Verwandte des elektromagnetischen Feldes, deren Energie nicht in separate Pakete aufgeteilt wird. Sie können indirekte Spuren in den Collider-Daten hinterlassen. Vielleicht ist das Wesen der Dunklen Materie nicht die einzige Lösung. Schließlich besteht gewöhnliche Materie auch aus vielen Arten von Partikeln. Dunkle Materie kann auch aus mehreren Teilnehmern bestehen, was die Suche erschwert, da die angeblichen Anzeichen eines bestimmten Kandidaten für Partikel verschwimmen. Vielleicht interagiert dunkle Materie überhaupt nicht außer der Schwerkraft. Dies wird das Leben der Experimentatoren einem Albtraum noch näher bringen.

In gewisser Weise befinden wir uns in einer Situation, von der Wissenschaftler träumen. Alte Ideen funktionieren nicht und neue sind erforderlich. Sie können aufgrund der Untersuchung neuer Arten von Partikeln auftreten, oder wir können eine neue konsistente Gravitationstheorie entdecken, die es uns ermöglicht, dunkle Materie aufzugeben.

Die ständige Sorge ist jedoch, dass die Natur die neue Physik dort versteckt, wo wir sie nicht finden können. Und obwohl wir die Versuche, WIMPs zu finden, noch nicht vollständig ausgeschöpft haben, können Experimente nicht viel mehr. Je empfindlicher sie für dunkle Materie werden, desto empfindlicher sind sie für Müllpartikel und können nicht immer voneinander unterscheiden. Bei der gegenwärtigen Entwicklungsrate werden sie in zehn Jahren von Neutrinos geblendet, die von der Sonne emittiert werden, oder von kosmischen Strahlen, die mit der Erdatmosphäre kollidieren.


Die Sonne kann ein natürlicher Detektor für dunkle Materie sein. Änderungen in der Struktur der Sonnenschichten unter dem Einfluss dunkler Materie können von Astronomen festgestellt werden. Das Bild in Rot zeigt die Bereiche, die sich von uns entfernen, und in Blau - die sich nähernden.

In diesem Fall können wir die indirekten Erkennungsversuche fortsetzen. Eines der vielversprechendsten ist das Cherenkov Telescope Array , eine Sammlung von mehr als Hunderten von Teleskopen in Chile und auf der Insel Palma . Unter anderem wird er nach Gammastrahlen suchen, die bei der Vernichtung von Partikeln der dunklen Materie in unserer und anderen Galaxien auftreten. Aber irgendwann wird diese Suchstrategie auf ein anderes Problem stoßen: Kosten. Bisher gehören Detektoren für dunkle Materie zu den wirtschaftlichsten physikalischen Grundversuchen. Wenn wir jedoch ihre Größe, Empfindlichkeit und Komplexität erhöhen müssen, können ihre Kosten Monster wie den Large Hadron Collider (fast 7 Milliarden US-Dollar) und das Teleskop übersteigen. James Webb (ca. 8 Milliarden US-Dollar), ohne Erfolgsgarantie - und es ist sehr schwer, an Politiker zu verkaufen.

Das beste Werkzeug zur Entdeckung von Partikeln der dunklen Materie wäre ein neuer Kollider. Irgendwann in drei Jahrzehnten planen Physiker, einen Collider zu bauen, der die Leistung des LHC um ein Vielfaches übersteigt. Die Forschung wird sowohl in China als auch in Europa durchgeführt. Nach groben Schätzungen wird es 25 Milliarden Dollar der heutigen Dollar kosten. Dies kann real sein, wenn die Last über die Zeit und auf mehrere Länder verteilt ist. Aber das ist wahrscheinlich die Grenze. Selbst wenn die Physiker unbegrenzte Ressourcen hätten, würde es keinen Gewinn mehr bringen, etwas Größeres zu bauen. Außerdem wird jedes unbekannte Teilchen so massiv sein, dass der Urknall sie einfach nicht in ausreichenden Mengen hätte erzeugen können.

Trotz all dieser unglaublichen Versuche können wir die Signale möglicherweise nicht erkennen. Dies ist eine eher trostlose Aussicht. Vielleicht gibt es keine dunkle Materie. Wir suchen weiterhin nach Abweichungen von GR. Bisher wurde kein einziger gefunden. Umgekehrt stützte die Entdeckung von Schwarzen Löchern durch Gravitationswellen im Jahr 2016 Einsteins Theorie - und damit die Existenz dunkler Materie.

Es gibt aber auch positive Aspekte. Es kann erstaunliche Geheimnisse und Entdeckungen im Zusammenhang mit der dunklen Seite der Natur geben, auf die wir ohne diese Suche niemals gestoßen wären. Während wir nach Partikeln suchen. Und wir haben keine andere Wahl, als weiterzumachen.

Joseph Silk ist Kosmologe an der Universität Oxford und arbeitet auch am Institut für Astrophysik in Paris und an der Universität. John Hopkins. Pionier der Forschung auf dem Gebiet der Reliktstrahlung und der Bildung der kosmischen Struktur.