Was ist dunkle Materie? Die Antwort auf das größte Mysterium des Universums könnten Axionen sein


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Dunkle Materie und dunkle Energie machen mehr vom Universum aus als beobachtbare Materie und Energie.

Getty/Vadim Kalinin

Die Physik ist von Rätseln durchdrungen, und in gewisser Weise hält das das Feld am Laufen. Diese knifflige Rätsel fördern einen Wettlauf zur Wahrheit. Aber von all den Dilemmata würde ich sagen, dass zwei davon zweifellos unter Priorität A fallen.

Zunächst einmal, wenn Wissenschaftler in den Himmel blicken, sehen sie ständig Sterne und Galaxien, die sich in alle Richtungen weiter von unserem Planeten und voneinander entfernen. Das Universum sieht aus wie eine Blase, die explodiert, daher wissen wir, dass es sich ausdehnt. Aber irgendwas ergibt keinen Sinn.

Der Weltraum scheint nicht genug Zeug zu haben, das darin herumschwebt – Sterne, Teilchen, Planeten und alles andere – um sich so schnell aufzublähen. Mit anderen Worten, das Universum dehnt sich viel schneller aus, als unsere Physik sagt, und es ist gleichmäßig Geschwindigkeit aufnehmen während du das liest. Was uns zu Problem zwei bringt.

Nach den besten Berechnungen von Experten drehen sich Galaxien so unglaublich schnell, während alles herumwirbelt, dass wir erwarten würden, dass sich die Spiralen verhalten wie außer Kontrolle geratene Karussells Metallpferde aus dem Fahrgeschäft schleudern. Es scheint nicht genug Zeug im Universum zu geben, um sie miteinander zu verankern. Doch die Milchstraße driftet nicht auseinander.

So was ist los?

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Eine Simulation von Filamenten aus dunkler Materie im gesamten Universum.

Zarija Lukic/Lawrence Berkeley National Laboratory

Allgemein nennen Physiker „fehlendes“ Material, das den Kosmos nach außen treibt, dunkle Energie, und Teile, die Galaxien zusammenhalten – vermutlich in einer haloähnlichen Form – dunkle Materie. Weder interagiert mit Licht oder Materie, die wir sehen können, also sind sie im Wesentlichen unsichtbar. Kombiniert ergeben dunkle Materie und dunkle Energie eine ganze Menge 95% des Universums.

Die Autoren einer kürzlich erschienenen Rezension, die sich auf den Anteil der Dunklen Materie konzentrieren, veröffentlicht in der Zeitschrift Science Advancesschreiben, dass „es durchaus aus einer oder mehreren Arten von fundamentalen Teilchen bestehen kann … obwohl ein Teil oder alles davon aus makroskopischen Klumpen einer unsichtbaren Form von Materie bestehen könnte, wie etwa schwarzen Löchern.“

Schwarze Löcher oder nicht, dunkle Materie ist völlig schwer fassbar. Um seine Geheimnisse zu entschlüsseln, haben Wissenschaftler eine Handvoll Verdächtiger aus der kosmischen Aufstellung herausgesucht, und eines der meistgesuchten Teilchen ist ein seltsamer kleiner Fleck namens Axion.

Die weitäugige Hypothese der Axionen

Sie haben vielleicht schon davon gehört das Standardmodell, das so ziemlich der heilige Gral ist, ein immer stärker werdendes Handbuch der Teilchenphysik. Es skizziert, wie jeden Einzel Teilchen im Universum funktioniert.

Wie der Science Advances Review jedoch feststellt, sind einige „Teilchenphysiker unruhig und unzufrieden mit dem Standardmodell, weil es viele theoretische Mängel aufweist und viele dringende experimentelle Fragen unbeantwortet lässt“. Genauer gesagt führt es für uns direkt in ein Paradoxon bezüglich eines gut etablierten wissenschaftlichen Konzepts, das synchronisiert wird CPT-Invarianz. Aha, die Physikrätsel gehen weiter.

Halo aus dunkler Materie, der die Galaxie umgibt (Abbildung)

Galaxie und zugehöriger Halo aus dunkler Materie, Illustration.

Mark Garlick/Science Photo Libra

Grundsätzlich besagt die CPT-Invarianz, dass das Universum in Bezug auf C (Ladung), P (Parität) und T (Zeit) symmetrisch sein muss. Aus diesem Grund wird sie auch als CPT-Symmetrie bezeichnet. Wenn alles die entgegengesetzte Ladung hätte, linkshändig statt rechtshändig wäre und rückwärts statt vorwärts durch die Zeit gereist wäre, besagt es, dass das Universum genau gleich bleiben sollte.

Lange Zeit schien die CPT-Symmetrie unzerbrechlich. Dann kam das Jahr 1956.

Lange Rede kurzer Sinn, Wissenschaftler fanden etwas, das verletzt den P-Teil der CPT-Symmetrie. Sie wird die schwache Kraft genannt und diktiert Dinge wie Neutrino-Kollisionen und Elementfusionen in der Sonne. Alle waren schockiert, verwirrt und verängstigt.

Nahezu jedes grundlegende Konzept der Physik beruht auf der CPT-Symmetrie.

Etwa ein Jahrzehnt später entdeckten Forscher auch die schwache Kraft, die die C-Symmetrie verletzt. Die Dinge fielen auseinander. Physiker könnten einfach hoffen und beten, dass, selbst wenn P verletzt wird … und CP verletzt wird … CPT es vielleicht immer noch nicht ist. Vielleicht brauchen schwache Kräfte nur das Trio, um die CPT-Symmetrie aufrechtzuerhalten. Zum Glück scheint diese Theorie richtig zu sein. Aus irgendeinem unbekannten Grund folgt die schwache Kraft trotz C- ​​und CP-Blips der vollständigen CPT-Symmetrie. Puh.

Aber hier ist das Problem. Wenn schwache Kräfte die CP-Symmetrie verletzen, würden Sie erwarten, dass auch starke Kräfte dies tun, oder? Nun, das tun sie nicht, und die Physiker wissen nicht warum. Das nennt man das starke CP-Problem — und genau dort, wo es interessant wird.

Neutronen – ungeladene Teilchen innerhalb von Atomen – halten sich an die starke Kraft. Außerdem, um eine Vereinfachung zu ermöglichen, ihre neutrale Ladung bedeutet, dass sie die T-Symmetrie verletzen. Und „wenn wir etwas finden, das die T-Symmetrie verletzt, dann muss es auch die CP-Symmetrie so verletzen, dass die Kombination CPT nicht verletzt wird“, heißt es in dem Papier. Aber… das ist seltsam. Neutronen nicht wegen des starken CP-Problems.

Und so war die Idee des Axions geboren.

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Neutronen sind ungeladene Teilchen direkt in der Mitte des Atomklumpens.

Getty/iLexx

Vor Jahren, Physiker Roberto Peccei und Helen Quinn schlug vor, dem Standardmodell eine neue Dimension hinzuzufügen. Es handelte sich um ein Feld aus ultraleichten Teilchen – Axionen – die das starke CP-Problem erklärten und dadurch die Bedingungen für Neutronen entspannten. Axions schien alles so gut zu reparieren, dass die Idee des Duos zur „beliebtesten Lösung für das starke CP-Problem“ wurde, heißt es in der Zeitung. Es war ein Wunder.

Um es klar zu sagen, Axionen sind immer noch hypothetisch, aber denken Sie darüber nach, was gerade passiert ist. Physiker fügten dem Standardmodell ein neues Teilchen hinzu, das Flecken des das gesamte Universum. Was könnte das für alles andere bedeuten?

Der Schlüssel zur Dunklen Materie?

Nach der Peccei-Quinn-Theorie wären Axionen „kalt“ oder würden sich sehr langsam durch den Raum bewegen. Und… die Studienforscher sagen „die Existenz von [dark matter] wird aus seinen Gravitationseffekten gefolgert, und astrophysikalische Beobachtungen deuten darauf hin, dass es ‚kalt‘ ist.“

In dem Papier heißt es auch: „Es gibt experimentelle Obergrenzen dafür, wie stark [the axion] interagiert mit der sichtbaren Materie.“

Axionen, die helfen, das Problem der starken CP zu erklären, scheinen im Grunde genommen auch theoretische Eigenschaften zu haben, die mit denen der Dunklen Materie übereinstimmen. Sehr gut.

Der European Council for Nuclear Research, besser bekannt als CERN, der den Large Hadron Collider betreibt und die Antimaterie-Studien leitet, betont auch, dass „eine der eindrucksvollsten Eigenschaften von Axionen darin besteht, dass sie es auf natürliche Weise sein könnten bald nach dem Urknall in großer Zahl produziert. Diese Population von Axionen wäre heute noch vorhanden und könnte die dunkle Materie des Universums bilden.“

Ein SLAC-Forschungsgebiet ist die Rekonstruktion der Entstehung des Universums.  Wir sind mit Galaxien vertraut, aber diese Simulation zeigt Stränge dunkler Materie, die den Kosmos durchziehen.  Galaxien bilden sich an den helleren Knoten, wo die Dichte am höchsten ist.

Ein SLAC-Forschungsgebiet ist die Rekonstruktion der Entstehung des Universums. Wir sind mit Galaxien vertraut, aber diese Simulation zeigt Stränge dunkler Materie, die den Kosmos durchziehen. Galaxien bilden sich an den helleren Knoten, wo die Dichte am höchsten ist.

SLAC National Accelerator Laboratory

Los geht’s. Axionen gehören dazu das heißeste Thema der Physik weil sie so viel zu erklären scheinen. Aber noch einmal, diese begehrten Bits sind immer noch hypothetisch.

Werden wir jemals Axionen finden?

Es war schon 40 Jahre, seit Wissenschaftler mit der Jagd nach Axionen begannen.

Die meisten dieser Suchen nutzen „hauptsächlich die Aktionsfeld-Wechselwirkung mit den elektromagnetischen Feldern“, sagen die Autoren in dieser kürzlich erschienenen Übersicht veröffentlicht in Science Advances.

Zum Beispiel entwickelte CERN das Axion Search Telescope, eine Maschine, die gebaut wurde, um einen Hinweis auf die im Kern der Sonne produzierten Partikel zu finden. In unserem Stern gibt es starke elektrische Felder, die potenziell mit Axionen interagieren könnten – falls sie wirklich da sind.

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Eine Mission einer NASA-Solarforschungsrakete offenbart einen atemberaubenden Blick auf superheiße magnetische Fäden in der Sonnenatmosphäre.

Universität von Central Lancashire

Aber die Suche hat sich bisher einigen ziemlich großen Herausforderungen gestellt. Zum einen „ist die Teilchenmasse nicht theoretisch vorhersagbar“, schreiben die Autoren – das heißt, wir haben sehr wenig Vorstellung davon, wie ein Axion aussehen könnte.

Derzeit suchen Wissenschaftler noch nach ihnen, wobei sie von einem sehr breiten Massenspektrum ausgehen. Kürzlich lieferten Forscher jedoch Beweise dafür, dass das Teilchen wahrscheinlich zwischen 40 und 180 Mikroelektronenvolt liegt. Das ist unvorstellbar klein, ungefähr 1 Milliardstel der Masse eines Elektrons.

„Außerdem“, schreibt das Team, „wird erwartet, dass das Axion-Signal sehr schmal ist … und aufgrund sehr schwacher Kopplungen mit Partikeln und Feldern des Standardmodells extrem schwach.“ Selbst wenn winzige Axionen ihr Bestes geben, um uns ihre Existenz zu signalisieren, könnten wir sie vermissen. Ihre Hinweise könnten so schwach sein, dass wir es kaum bemerken würden.

Trotz dieser Hürden marschiert die Axion-Suche weiter. Die meisten Wissenschaftler argumentieren, dass sie irgendwo da draußen sein müssen, aber sie scheinen zu gut, um wahr zu sein, wenn es darum geht, dunkle Materie vollständig zu erklären.

„Die meisten experimentellen Versuche gehen davon aus, dass Axionen 100 % des Halos aus dunkler Materie ausmachen“, betonen die Autoren der Studie und schlagen vor, dass es vielleicht einen Weg gibt, „in die Axion-Physik zu schauen, ohne sich auf eine solche Annahme zu verlassen“.

Obwohl sie der Star der Show sein mögen, was wäre, wenn Axionen nur ein Kapitel der Geschichte der Dunklen Materie sind?

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