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Rätsel um Dunkle Materie Masse dunkler Materieteilchen bestimmt

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Eine deutsch-ungarische Forschergruppe unter Federführung der Bergischen Universität Wuppertal und dem Forschungszentrum Jülich hat ein spektakuläres Ergebnis im Bereich der Materieforschung veröffentlicht. Mit der Hilfe von Gitter-QCD-Rechnungen konnte die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Zoltán Fodor wesentliche Erkenntnisse zum Verständnis des frühen Universums und vor allem zur so genannten Dunklen Materie beitragen.

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Die Dunkle-Materie-Berechnungen wurden mit den Supercomputer Juqueen am Forschungszentrum Jülich durchgeführt.
Die Dunkle-Materie-Berechnungen wurden mit den Supercomputer Juqueen am Forschungszentrum Jülich durchgeführt.
(Bild: Forschungszentrum Jülich)

Wuppertal/Jülich – Nach derzeitigem Verständnis sind nur etwa 15 Prozent der Materie des Universums sichtbar, der Rest ist dunkel: Das heißt, er hat im Grunde genommen keine Wechselwirkung mit dem Licht oder den bereits bekannten Teilchen des Universums. Weltweit werden seit einigen Jahren große Anstrengungen unternommen, um die Dunkle Materie in Experimenten nachzuweisen.

Einer der attraktivsten Lösungsvorschläge für dieses Rätsel heißt „Axion“. Es handelt sich hierbei um ein hypothetisches Teilchen, welches das gesamte Universum erfüllen könnte. Der Anteil der Dunklen Materie an der Gesamtmasse des Universums ist bereits seit längerem aus astrophysikalischen Beobachtungen bekannt. Um das hypothetische Axion aber experimentell nachweisen zu können, ist es erforderlich, auch seine Masse – zumindest in gewissen Grenzen – zu kennen. Sie ist nach theoretischen Überlegungen proportional zu der Häufigkeit, mit der sich die topologische Quantenzahl des frühen Universums ändert. Dem Forscherteam gelang es erstmals, die Rolle von Axionen bei der Entwicklung des frühen Universums zu klären. Für die Berechnungen waren groß angelegten Simulationen nötig. Entscheidend dafür war die von dem „John von Neumann Institut für Computing“ bereitgestellte Rechenzeit, insbesondere auf dem Supercomputer Juqueen am Forschungszentrum Jülich.

Welche Rolle spielen Axione?

Ein besonders wichtiges Ergebnis ist die erstmalige Bestimmung der Masse des Axions. Diese Information können zukünftige Experimente nutzen, um präzise und fokussiert nach Axionen zu suchen. Entsprechende experimentelle Vorschläge für diesen bislang weitgehend unerforschten Massenbereich wurden ebenfalls ausgearbeitet und in der Publikation skizziert. „Es ist davon auszugehen, dass die vorgelegten Ergebnisse zu einem Wettlauf um die Entdeckung dieser Teilchen führen werden“, so Prof. Fodor. Ihre Entdeckung würde nicht nur das Problem der Dunklen Materie des Universums lösen, sondern gleichzeitig die Frage beantworten, warum die starke Wechselwirkung so überraschend symmetrisch ist.

Das Editorial Board der Fachzeitschrift Nature wählt in jeder Ausgabe einige wenige Artikel für eine Würdigung (News and Vies) aus, die für die weitere Entwicklung eines wissenschaftlichen Feldes besonders wichtig sind. „Wir freuen uns sehr, dass unsere Arbeit diese spezielle Auszeichnung erfahren hat“, sagt Prof. Fodor im Namen aller Autoren. Zu dem Jülicher Forscherteam gehören die Physiker Dr. Taichi Kawanai, Dr. Simon Mages und Prof. Dr. Kalman Szabo.

Originalpublikation: "Calculation of the axion mass based on hightemperature lattice quantum chromodynamics" by S. Borsanyi, Z. Fodor, J. Gunther, K.-H. Kampert, S. D. Katz, T. Kawanai, T. G. Kovacs, S. W. Mages, A. Pasztor, F. Pittler, J. Redondo, A. Ringwald, K. K. Szabo, DOI: 10.1038/nature20115

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