Dunkle Materie, die den größten Teil der Materie im Universum ausmacht, ist nicht leicht zu erkennen. Sie ist dunkel. Und doch gibt es einen Weg, auf dem dunkle Materie (TM) gewissermaßen leuchten kann.
Und wie ist er? Wenn ein HM aus Partikeln besteht, die selbst Antiteilchen sind (wie dies bei Photonen, Z-Partikeln und Higgs-Partikeln und wahrscheinlich Neutrinos der Fall ist), ist es möglich, dass sich zwei HM-Partikel treffen und vernichten (genau wie sie können) ein Elektron mit einem Positron oder zwei Photonen vernichten und sich in etwas anderes verwandeln, das wir wahrscheinlich nachweisen können - zum Beispiel in zwei Photonen oder ein anderes Teilchen und sein Antiteilchen. Ob wir diesen Effekt erkennen können, hängt von vielen uns unbekannten Dingen ab. Aber es ist nichts Falsches daran, nach diesem Phänomen zu suchen, und es gibt einen sehr guten Grund, es zu versuchen.
Wie hoffen wir ihn zu finden?
Abb. 1Zuerst müssen wir uns das Zentrum unserer Galaxie, die Milchstraße, ansehen. So wie ein Unfall zur Hauptverkehrszeit bei starkem Verkehr wahrscheinlich ist, können Kollisionen von Partikeln der dunklen Materie höchstwahrscheinlich dort beobachtet werden, wo ihre Dichte am größten ist. Und das größte ist es in den Zentren der Galaxien. Der Grund dafür ist, dass sich (siehe Abb. 1) große Stücke dunkler Materie um Galaxien und Sterne bilden - tatsächlich besteht der größte Teil der Masse der Milchstraße aus dunkler Materie, die über eine raue Kugel verteilt ist, obwohl ihre genaue Struktur unbekannt und wahrscheinlich ziemlich ist kompliziert. Die Sterne und großen Atomwolken, aus denen sie sich bilden, bilden eine rotierende Scheibe mit Spiralarmen, die sich in dieser großen Kugel befinden und in deren Mitte sich eine Kugel aus Sternen (
Ausbuchtung ) befindet. Die Sterne in der Scheibe und der Ausbuchtung sammeln sich wahrscheinlich an Orten mit der höchsten HM-Konzentration an. Daher können Kollisionen und anschließende Vernichtung, die zum Auftreten von Partikeln führen, die wir möglicherweise erkennen können, in der Nähe des Zentrums der Galaxie auftreten. Daher müssen wir wissenschaftliche Werkzeuge entwickeln, die in diese Richtung schauen und nach Hinweisen suchen können, dass eine solche Vernichtung auftritt.
Leider sind Hinweise nicht so einfach zu erhalten, da es nicht viele Arten bekannter Teilchen gibt, die, wenn sie bei der Vernichtung dunkler Materie nahe dem Zentrum der Galaxie entstehen, die Erde erreichen können. Die einzigen ausreichend langen Teilchen, die die Erde erreichen können, sind Elektronen, Antielektronen (Positronen), Protonen, Antiprotonen, mehrere andere stabile Atomkerne (Helium), Neutrinos, Antineutrinos und Photonen. Neutrinos (und Antineutrinos) sind jedoch äußerst schwer zu erkennen, und fast alle anderen Teilchen haben eine elektrische Ladung, so dass ihre Wege im Magnetfeld der Galaxie gekrümmt und verdreht sind, weshalb sie niemals die Erde erreichen. Es stellt auch sicher, dass wir nicht sagen können, ob sie aus dem Zentrum der Galaxie kommen oder nicht, wenn sie zu uns kommen. Photonen bleiben die einzigen Teilchen, die sich zum einen direkt vom Zentrum der Galaxie zur Erde bewegen können und zum anderen leicht zu erkennen sind.
Abb. 2Ungewöhnliche hochenergetische Photonen, die aus dem Zentrum der Galaxie und fast nirgendwo kommen, können einen guten Hinweis auf die TM-Vernichtung geben (Abb. 2).
Diese Strategie weist jedoch viele Hindernisse auf. Im Zentrum der Galaxie werden auch viele ungewöhnliche astronomische Objekte gesammelt, die auch hochenergetische Photonen emittieren. Wie kann man zwischen Photonen unterscheiden, die von der TM-Vernichtung ausgehen, und Photonen, die von einer unbekannten Klasse von Sternprozessen ausgehen, die im Zentrum der Galaxie häufiger auftreten als anderswo?
Antwort: nicht einfach, bis auf einen Sonderfall. Wenn TM-Teilchen (mit einer bestimmten Masse, z. B. M) manchmal vernichten können und genau zwei Photonen drehen, ist die Bewegungsenergie für beide dieser Photonen (mit sehr guter Genauigkeit) die Massenenergie Mc
2 von Teilchen der dunklen Materie. Der Grund ist einfach - er wird in einem
Artikel über die Vernichtung von Partikeln und Antiteilchen beschrieben und ist in Abb. 1 dargestellt. 3.
Abb. 3Wenn das Teilchen und das Antiteilchen praktisch in Ruhe sind, ist die Energie jedes einzelnen fast vollständig in der Masse enthalten und entspricht fast genau Mc
2 . Die Impulse von beiden sind fast Null. Energie und Impuls bleiben erhalten, sodass die Gesamtenergie vor und nach der Vernichtung ungefähr 2 Mc
2 entspricht . Wenn sich ein Teilchen und ein Antiteilchen in ein anderes Teilchen und ein anderes Teilchen verwandeln, sind die Energien beider gleich Mc
2 . Normalerweise ist es eine Mischung aus Masse + s Energie und Bewegungsenergie. In dem Fall, in dem sich das endgültige Teilchen und das Antiteilchen als Photonen ohne Masse und dementsprechend als Massenenergie herausstellen, ist ihre gesamte Energie die Bewegungsenergie.
Wir kennen die Masse M des TM-Teilchens nicht und wir kennen die Energie der resultierenden Photonen nicht. Da jedoch die Masse für alle Elektronen gleich ist und die Masse für alle Protonen gleich ist und die Masse für alle TM-Teilchen gleich ist, führt jede TM-Vernichtung zum Auftreten von zwei Photonen mit einer Energie, die fast Mc
2 entspricht . Wenn wir also mit einem speziellen Teleskop hochenergetische Photonen messen, die aus einem Gebiet nahe dem Zentrum der Galaxie stammen, und ein Diagramm der Anzahl der Photonen aus ihrer Energie erstellen, sollten wir erwarten, dass viele astrophysikalische Prozesse viele Photonen mit unterschiedlichen Energien erzeugen, die sich bilden ein glatter Hintergrund, aber die mit HM ablaufenden Prozesse fügen eine Reihe von Photonen derselben Energie hinzu - ein Burst, der über dem Hintergrund thront (siehe Abb. 4). Es ist fast unmöglich, sich ein astronomisches Objekt vorzustellen, einen seltsamen Stern, der einfach genug wäre, um einen solchen Ausbruch zu erzeugen. Daher ist ein Signal in Form eines schmalen Stoßes ein klarer Beweis für den Prozess der Vernichtung von TM-Teilchenpaaren.
Abb. 4Und dies ist eine sehr leistungsstarke Methode, um nach TM zu suchen. Es wird nicht funktionieren, wenn TM-Partikel für sich selbst keine Antiteilchen sind und nicht vernichten können. Es wird nicht funktionieren, wenn TM-Partikel bei der Vernichtung nicht sehr oft Photonen produzieren. Aber es kann funktionieren. Und es gibt bereits Versuche, von denen der interessanteste die Verwendung
des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops ist , ein Experiment mit einem Satelliten, der im Weltraum arbeitet und Photonen misst, die vom ganzen Himmel kommen, einschließlich solcher, die aus dem Zentrum der Galaxie kommen.