Neuer Vorschlag zur Suche nach Dunkler Materie

Bildnachweis: Hubble
WIMPs, die auf einer „Autobahn“ im Weltraum mit 670.000 Meilen pro Stunde beschleunigen, regnen möglicherweise auf die Erde? Ein Phänomen, das die Existenz von „dunkler Materie“ beweisen könnte, die den größten Teil unserer Galaxie und ein Viertel des Universums ausmacht, heißt es in einer Studie, die von einem Physiker der Universität von Utah mitverfasst wurde.

Viele Forscher haben lange vermutet, dass dunkle Materie aus WIMPS oder schwach wechselwirkenden massiven Partikeln bestehen könnte, die theoretisierte subatomare Partikel sind. Weltweit bauen oder bauen mehr als 20 Gruppen von Physikern Geräte, um sie zu erkennen.

Wissenschaftler, die in Italien einen WIMP-Detektor namens DAMA (Dunkle Materie) betreiben, behaupteten 1998, das unterirdische Gerät habe WIMPs erfasst, die die Erde von einem unsichtbaren Lichthof aus dunkler Materie aus erreichen, der unsere Milchstraßengalaxie umgibt. Die Behauptung wurde von Wissenschaftlern angezweifelt, die andere WIMP-Detektoren betreiben, die anders als DAMA konstruiert sind und keine WIMPs gefunden haben.

Die neue Studie? veröffentlicht in der Ausgabe vom 19. März der Zeitschrift Physical Review Letters? berät, wie die DAMA-Wissenschaftler ihren Anspruch beweisen könnten.

"Wir schlagen eine Möglichkeit vor, zu überprüfen, ob das, was DAMA angeblich gesehen hat, wirklich WIMPs sind", sagt Studienkoautor Paolo Gondolo, Assistenzprofessor für Physik an der Universität von Utah. "Hier geht es darum herauszufinden, woraus 90 Prozent unserer Galaxie bestehen."

Gondolo und Kollegen sagen, dass zusätzlich zu den WIMPs, die aus dem umgebenden Lichthof in unsere Milchstraßengalaxie strömen, möglicherweise eine „Autobahn“ der dunklen Materie von WIMPS auf unser Sonnensystem regnet, nachdem sie aus Sagittarius, einer Zwerggalaxie, die langsam verschlungen wird, geflogen ist durch die Schwerkraft von der Milchstraße aufgerissen.

Die Kombination der WIMPS aus der Milchstraße und derjenigen aus der Zwerggalaxie des Schützen sollte in den italienischen Daten ein eindeutiges Muster ergeben, das „eine rauchende Waffe für die WIMP-Erkennung wäre“, heißt es in der neuen Studie.

Gondolo führte die Forschung mit der Physikerin Katherine Freese und dem Doktoranden Matthew Lewis von der University of Michigan sowie der Astronomin Heidi Jo Newberg vom Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, New York, durch.

Die dunkle Seite des Universums
Wissenschaftler haben vor einigen Jahrzehnten erkannt, dass die Bewegungen von Galaxien im Universum nicht durch die Anziehungskraft sichtbarer Galaxien, Sterne und Gase erklärt werden können. Lange Zeit sagten Wissenschaftler, dass 10 Prozent des Universums sichtbare Materie und 90 Prozent unsichtbare dunkle Materie waren, die die Hohlräume zwischen Sternen und Galaxien füllte.

In den letzten Jahren stellten Astronomen jedoch fest, dass das Universum und seine Galaxien mit einer beschleunigten Geschwindigkeit auseinanderflogen, ein Phänomen, das mit der Existenz einer als „Dunkle Energie“ bekannten Antigravitationskraft vereinbar ist.

Laut Gondolo glauben Wissenschaftler jetzt, dass das Universum zu etwa 5 Prozent aus sichtbarer Materie, zu 25 Prozent aus dunkler Materie und zu 70 Prozent aus dunkler Energie besteht.

Im Gegensatz zu dunkler Materie, die der Schwerkraft ausgesetzt ist, wird dunkle Energie nicht in unsere Galaxie gezogen, sodass die Milchstraße zu etwa 10 Prozent aus Materie und zu 90 Prozent aus dunkler Materie besteht, sagt Gondolo.

Die Drehbewegung der abgeflachten, spiralförmigen, scheibenförmigen Milchstraße ist zu schnell, um nur durch die Schwerkraft ihrer sichtbaren Sterne und Gase erklärt zu werden. Wissenschaftler glauben also, dass sie von einem viel größeren „Heiligenschein“ umgeben ist? eigentlich eine abgeflachte Kugel? das enthält einige Sterne, aber meistens unsichtbare dunkle Materie.

Im Laufe der Jahre wurden zahlreiche Theorien zur Natur der dunklen Materie vorgeschlagen: von dunkelbraunen Zwergsternen, die sich nie entzündeten, bis zu den skurril benannten MACHOs (Massive Compact Halo Objects) und subatomaren WIMPs.

Laut Gondolo gelten WIMPs und andere subatomare Teilchen, die als Axionen bezeichnet werden, als die wahrscheinlichsten Kandidaten für dunkle Materie.

Der DAMA-Detektor im Gran Sasso National Laboratory in Italien wird von einer internationalen Zusammenarbeit von Physikern unter der Leitung der Universität Rom betrieben. Die DAMA-Gruppe gab 1998 bekannt, dass sie Beweise für WIMPS gefunden hat.

Da sich DAMA im Untergrund befindet, filtert das darüber liegende Gestein Partikel heraus, die entstehen, wenn kosmische Strahlen auf die Erdatmosphäre treffen, und erzeugt Schauer kleinerer Partikel. WIMPs sind „schwach wechselwirkende“ Partikel und passieren die Erde. Sie können jedoch Natriumjodidkristalle in DAMA treffen, Lichtblitze verursachen und Natrium- oder Jodionen zurückprallen lassen.

Wenn WIMPs existieren, fließen sie vom Lichthof um unsere Galaxie in Richtung unseres Sonnensystems. Wenn die Erde um die Sonne kreist, bewegt sie sich manchmal „stromaufwärts“ gegen den Fluss entgegenkommender WIMPs und manchmal mit dem Fluss. Die DAMA-Wissenschaftler glauben, dass dies das Auf- und Ab-Muster der Anzahl der von DAMA detektierten Partikel erklärt und die Behauptung unterstützt, dass es sich bei diesen Partikeln um WIMPs handelt.

Andere Physiker bleiben jedoch nicht überzeugt. Ihre Detektoren, die Germanium als Sensor anstelle von Natriumiodid verwenden, sollten gleich empfindlich sein, aber keine WIMPs „gesehen“ haben. Sie argumentieren, dass die jährliche Schwankung der Anzahl der von DAMA nachgewiesenen Partikel durch saisonale Veränderungen der Atmosphäre, des DAMA-Detektors oder der Umgebung von DAMA verursacht werden kann, so dass nicht nachgewiesen wurde, dass es sich bei den Partikeln um WIMPs handelt.

Die neue Studie: Eine Lösung von Schütze?
Die sichtbare Milchstraße ist riesig, etwa 100.000 Lichtjahre breit oder etwa 588 Millionen Milliarden Meilen (588 mal 10 bis 15 Potenz). Seit Äonen absorbiert und zerreißt die Milchstraße die Zwerggalaxie des Schützen, die ein Zehntel des Durchmessers der Milchstraße beträgt.

Newberg und andere Astronomen entdeckten kürzlich zwei bogenförmige „Schwänze“ oder Sternströme, die vom Schützen fließen. Es wird angenommen, dass die Streams auch WIMPs enthalten. wenn sie existieren. Unser Sonnensystem befindet sich in einem dieser Ströme, die Gondolo und Freese als mögliche „dunkle Materie? Autobahn“ beschreiben. Regen auf das Sonnensystem. "

In der neuen Studie schlagen Gondolo und Kollegen vor, wie sich die Kombination von WIMPs aus dem Halo der Milchstraße und aus dem Schützenstrom auf dem DAMA-Detektor registrieren lässt:

– Die Daten der maximalen und minimalen Anzahl von WIMPs, die von DAMA erkannt werden, würden sich verschieben, wenn dunkle Materie von Schütze berücksichtigt wird. Dies liegt daran, dass die WIMPs des Schützen die Erde aus einem anderen Winkel als die Halo-WIMPS der Milchstraße treffen und die Daten ändern, an denen die meisten und die wenigsten WIMPs die Erde und damit DAMA treffen. Gondolo sagt, der Höhepunkt sollte der 25. Mai statt der 2. Juni sein, wenn Schütze-WIMPs und Halo-WIMPs beide die Erde treffen. DAMA fand das Maximum war
21. Mai plus oder minus 22 Tage.

– Die „rauchende Waffe“, die beweisen würde, dass WIMPS existieren, ist komplizierter zu erklären. Wenn Partikel in DAMA auf Natriumiodid treffen, prallen die Ionen proportional zur Masse und Geschwindigkeit der ankommenden Partikel zurück. Laut Gondolo bewegen sich WIMPs aus dem Halo der Milchstraße mit einer Geschwindigkeit von null bis 600 Kilometern pro Sekunde (1,34 Millionen Meilen pro Stunde) und einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 220 Kilometern pro Sekunde (etwa 492.000 Meilen pro Stunde). WIMPs im Sagittarius-Strom oder auf der Autobahn bewegen sich alle mit 300 Kilometern pro Sekunde (ungefähr 671.000 Meilen pro Stunde). Wenn die Rückstoßenergien der beiden Arten von WIMPs kombiniert und in einem Diagramm dargestellt werden, sollte es einen steilen „Schritt“ oder Abfall der Anzahl von Kollisionen mit höheren Rückstoßenergien geben, was die Tatsache widerspiegelt, dass Sagittarius-WIMPs 671.000 Meilen pro Stunde nicht überschreiten.

Wenn DAMA-Wissenschaftler diesen „Schritt“ in ihren Daten finden, sollte es die rauchende Waffe sein, um zu beweisen, dass dunkle Materie in Form von WIMPs existiert, sagt Gondolo.

"Dies wäre eine Bestätigung ihres Ergebnisses", fügt er hinzu. "Um zu überprüfen, ob sie wirklich WIMPs gesehen haben, könnten sie nach der spezifischen Signatur von WIMPs im Sagittarius-Stream suchen."

Wissenschaftler der DAMA sind sich der neuen Studie bewusst und überprüfen ihre Daten erneut, um festzustellen, ob sie die Beweise enthalten, die beweisen könnten, dass der Detektor WIMPs gefunden hat. Der Prozess könnte Monate dauern, und es wird einige Jahre dauern, bis neuere Detektoren den Befund bestätigen, sagt Gondolo.

Er und seine Kollegen vermuten, dass andere Detektoren keine WIMPs gefunden haben, da die Partikel möglicherweise leichter und kleiner als erwartet sind. Daher zieht sich Germanium nicht stark zurück, wenn es von einem ankommenden WIMP getroffen wird, während die Ionen von DAMA einen messbaren Rückstoß aufweisen.

Gondolo sagt, er studiert dunkle Materie, weil „ich wissen möchte, woraus das Universum besteht. Ich war unzufrieden, als ich erfuhr, dass der größte Teil des Universums nicht aus Atomen besteht. “

Originalquelle: Pressemitteilung der University of Utah

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