Neue Theorie der Dunklen Materie Wiegt Superschwere Teilchen

Dunkle Materie könnte aus Partikeln bestehen, die jeweils fast genauso viel wie eine menschliche Zelle wiegen und fast dicht genug sind, um zu schwarzen Miniaturlöchern zu werden, wie neue Forschungsergebnisse nahelegen.

Während angenommen wird, dass dunkle Materie fünf Sechstel aller Materie im Universum ausmacht, wissen die Wissenschaftler nicht, woraus dieses seltsame Zeug besteht. Dem Namen entsprechend ist dunkle Materie unsichtbar - sie emittiert, reflektiert oder blockiert nicht einmal Licht. Infolgedessen kann dunkle Materie gegenwärtig nur durch ihre Gravitationseffekte auf normale Materie untersucht werden. Die Natur der Dunklen Materie ist derzeit eines der größten Geheimnisse der Wissenschaft.

Wenn dunkle Materie aus solchen superschweren Teilchen hergestellt wird, könnten Astronomen im Nachleuchten des Urknalls Beweise dafür finden, sagten die Autoren einer neuen Forschungsstudie. [Dunkle Materie erklärt (Infografik)]

Frühere Forschungen der Dunklen Materie haben meistens alle bekannten gewöhnlichen Materialien als Kandidaten für das ausgeschlossen, was dieses mysteriöse Zeug ausmacht. Gravitationseffekte, die Dunkler Materie zugeschrieben werden, umfassen die Orbitalbewegungen von Galaxien: Die kombinierte Masse der sichtbaren Materie in einer Galaxie, wie Sterne und Gaswolken, kann nicht für die Bewegung einer Galaxie verantwortlich sein, so dass eine zusätzliche, unsichtbare Masse vorhanden sein muss. Der bisherige Konsens der Wissenschaftler besteht darin, dass diese fehlende Masse aus einer neuen Art von Partikeln besteht, die nur sehr schwach mit gewöhnlicher Materie interagieren. Diese neuen Teilchen würden außerhalb des Standardmodells der Teilchenphysik existieren, was die beste gegenwärtige Beschreibung der subatomaren Welt ist.

Einige dunkle Materie-Modelle deuten darauf hin, dass diese kosmische Substanz aus schwach wechselwirkenden massiven Teilchen oder WIMPs besteht, von denen angenommen wird, dass sie etwa 100 Mal so groß sind wie ein Proton, sagte Co-Autor McCullen Sandora, ein Kosmologe an der Universität von Süddänemark . Trotz vieler Recherchen konnten die Forscher bisher keine WIMPs nachweisen, was die Möglichkeit offen lässt, dass dunkle Materiepartikel aus etwas anderem hergestellt werden könnten.

Jetzt erforschen Sandora und seine Kollegen die obere Massengrenze der Dunklen Materie - das heißt, sie versuchen herauszufinden, wie massiv diese einzelnen Teilchen möglicherweise sein könnten, basierend auf dem, was Wissenschaftler über sie wissen. In diesem neuen Modell, bekannt als Plancksche wechselwirkende dunkle Materie, wiegt jedes der schwach wechselwirkenden Teilchen etwa 1019 oder 10 Milliarden Milliarden mal mehr als ein Proton oder "ungefähr so ‚Äč‚Äčschwer wie ein Teilchen sein kann, bevor es ein kleines schwarzes Loch wird", sagte Sandora zu ProfoundSpace.org.

Ein Partikel, das 10 ist19 Die Masse eines Protons wiegt etwa 1 Mikrogramm. Im Vergleich dazu legen Studien nahe, dass eine typische menschliche Zelle etwa 3,5 Mikrogramm wiegt.

Die Entstehung der Idee für diese supermassiven Teilchen "begann mit einem Gefühl der Verzweiflung, dass die laufenden Bemühungen, WIMPs zu produzieren oder zu entdecken, keine vielversprechenden Hinweise zu geben scheinen", sagte Sandora. "Wir können das WIMP-Szenario noch nicht ausschließen, aber mit jedem Jahr wird es mehr und mehr suspekt, dass wir das bisher nicht geschafft haben. Bislang gibt es keine definitiven Hinweise darauf jede neue Physik jenseits des Standardmodells bei jeder zugänglichen Energie-Skala, also wurden wir dazu getrieben, über die ultimative Grenze dieses Szenarios nachzudenken. "

Zunächst hielten Sandora und seine Kollegen ihre Idee für wenig mehr als eine Kuriosität, da die massive Natur des hypothetischen Teilchens es unmöglich machte, dass ein Teilchenbeschleuniger auf der Erde ihn erzeugen und seine Existenz beweisen (oder widerlegen) könnte.

Aber jetzt haben die Forscher vorgeschlagen, dass, wenn diese Teilchen existieren, Zeichen ihrer Existenz in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, dem Nachleuchten des Urknalls, der das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren erschuf, nachweisbar sein könnten.

Derzeit herrscht in der Kosmologie die vorherrschende Meinung, dass das Universum nach dem Urknall riesig wächst. Dieser enorme Wachstumsschub, Inflation genannt, hätte den Kosmos geglättet und erklärt, warum er jetzt in jeder Richtung ähnlich aussieht.

Nachdem die Inflation beendet war, deutete die Forschung darauf hin, dass die übriggebliebene Energie das neugeborene Universum in einer Zeit namens "Wiedererwärmung" erhitzte. Sandora und seine Kollegen schlagen vor, dass extreme Temperaturen, die während des Wiederaufheizens erzeugt wurden, große Mengen ihrer superschweren Teilchen erzeugt haben könnten, genug, um die aktuellen Gravitationseffekte der dunklen Materie auf das Universum zu erklären.

Damit dieses Modell funktioniert, müsste die Wärme während des Aufheizens jedoch deutlich höher sein als bei Universalmodellen. Ein heißeres Wiedererwärmen würde wiederum eine Signatur in der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung hinterlassen, die die nächste Generation von kosmischen Mikrowellenhintergrundexperimenten detektieren könnte. "All dies wird hoffentlich in den nächsten Jahren passieren, nächstes Jahrzehnt, Max", sagte Sandora.

Wenn dunkle Materie aus diesen superschweren Teilchen gemacht wird, würde eine solche Entdeckung nicht nur die Natur des größten Teils der Materie des Universums erhellen, sondern auch Einblicke in die Art der Inflation geben und wie sie begonnen und gestoppt hat - alles bleibt höchst unsicher sagten die Forscher.

Wenn zum Beispiel dunkle Materie aus diesen superschweren Teilchen gemacht wird, zeigt dies, "dass die Inflation mit einer sehr hohen Energie geschah, was wiederum bedeutet, dass sie nicht nur Temperaturschwankungen im frühen Universum, sondern auch im Weltraum erzeugen konnte -Zeit selbst, in Form von Gravitationswellen ", sagte Sandora. "Zweitens sagt es uns, dass die Energie der Inflation extrem schnell in Materie zerfallen ist, denn wenn es zu lange gedauert hätte, wäre das Universum so weit abgekühlt, dass es keine Planckschen wechselwirkenden Teilchen der Dunklen Materie hätte produzieren können überhaupt."

Sandora und seine Kollegen beschrieben ihre Ergebnisse online 10. März in der Zeitschrift Physical Review Letters.