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Dunkle Materie

Superschwer, aber extrem selten – neues Schwerkraft-Teilchen?

| Autor/ Redakteur: Elke Müller* / Christian Lüttmann

Dunkle Materie ist Astronomen in gewisser Weise ein Dorn im Auge. Denn niemand weiß bisher, was genau das ist. Zurzeit dient sie noch als Hilfskonstrukt, um z.B. den Zusammenhalt rotierender Galaxien zu erklären, der nach dem Standardmodell der Teilchenphysik so gar nicht funktionieren dürfte. Nun haben Forscher einen neuen Kandidaten für ein Dunkle-Materie-Teilchen postuliert – und liefern gleich eine mögliche Strategie zu dessen Nachweis mit.

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Dunkle Materie hält sehr wahrscheinlich mit ihrer Gravitation die Galaxien im Universum zusammen.
Dunkle Materie hält sehr wahrscheinlich mit ihrer Gravitation die Galaxien im Universum zusammen.
(Bild: NASA/CXC/M. Weiss – Chandra X-Ray Observatory)

Potsdam-Golm – Etwa ein Viertel des Universums liegt buchstäblich im Schatten. Denn nach den Theorien der Kosmologen stecken 25,8 Prozent in der Dunklen Materie, die sich im Wesentlichen über die Gravitation bemerkbar macht. Woraus dieser Stoff besteht, ist bisher unbekannt. Ein neuer Kandidat für das Dunkle-Materie-Teilchen könnte dies vielleicht ändern – und das, ohne dabei das Standardmodell der Teilchenphysik groß umzuformen.

Die Bausteine des Universums

Das Standardmodell der Teilchenphysik umfasst die Bausteine der Materie sowie die Kräfte, die sie zusammenhalten. Hatte der griechische Philosoph Demokrit noch die Atome als unteilbare Bausteine der Materie im Sinn, wissen wir heute, dass die Atome selbst aus kleineren Teilchen zusammengesetzt sind: Protonen, Neutronen und Elektronen. Und nur die Elektronen gelten nach Stand der Wissenschaft tatsächlich als nicht weiter spaltbare Elementarteilchen. Protonen und Neutronen setzen sich hingegen aus je drei Quarks zusammen – das Proton aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, das Neutron aus einem Up- und zwei Down-Quarks.

Insgesamt gibt es im Standardmodell der Teilchenphysik sechs verschiedene Quarks und sechs Leptonen, von denen eines das Elektron ist. Quarks und Leptonen werden als Fermionen bezeichnet und sind in drei „Familien“ gegliedert, wobei die Materie um uns herum und wir selbst letztlich nur aus drei Teilchen der ersten Familie bestehen, eben den Up- und Down-Quarks sowie den Elektronen.

Zusätzlich zu diesen Bausteinen der Materie beschreibt das Modell auch die Kräfte, die diese Bausteine zusammenhalten. Zu diesen Bosonen gehören u.a. Photonen und das Higgs-Boson, das erst 2012 am CERN-Teilchenbeschleuniger nachgewiesen wurde und eine Lücke im Standardmodell schloss.

Keine neuen Teilchen mehr zu entdecken?

An diesem seit langem etablierten Standardmodell hat sich bis heute nichts geändert. Jedenfalls haben die Wissenschaftler seit Inbetriebnahme des Large Hadron Collider (LHC) am CERN bei Genf vor rund zehn Jahren entgegen vielfach gehegter Erwartungen außer dem Higgs-Boson keine neuen Elementarteilchen nachgewiesen. Das heißt, Messungen am LHC haben bisher keinerlei Hinweise auf eine „neue Physik“ jenseits des Standardmodells geliefert. Diese Ergebnisse stehen in eklatantem Gegensatz zu zahlreichen vorgeschlagenen Erweiterungen des konventionellen Modells, die eine große Anzahl neuer Teilchen erwarten.

Im Standardmodell der Physik gibt es Fermionen (Materie) und Bosonen (Kraftüberträger). Die Materie, die wir aus dem Alltag kennen, ist lediglich aus Up- und Down-Quarks sowie Elektronen aufgebaut (hellblau hinterlegt).
Im Standardmodell der Physik gibt es Fermionen (Materie) und Bosonen (Kraftüberträger). Die Materie, die wir aus dem Alltag kennen, ist lediglich aus Up- und Down-Quarks sowie Elektronen aufgebaut (hellblau hinterlegt).
(Bild: gemeinfrei, Cush / CC0)

Hermann Nicolai vom Potsdamer Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und Krzysztof Meissner von der Universität Warschau hatten bereits vor einiger Zeit versucht, mit einem neuen Ansatz zu erklären, warum in der Natur lediglich die bereits bekannten Elementarteilchen als Grundbausteine der Materie vorkommen. Und warum entgegen früherer Überlegungen in dem bisher vermessenen Energiebereich keine neuen Partikel zu erwarten sind.

Gravitinos als Dunkle Materie?

Daneben postulieren die beiden Forscher die Existenz einer völlig neuen Sorte von Teilchen: Sehr massereichen Gravitinos, die höchst ungewöhnliche Kandidaten für die Dunkle Materie sein könnten. In ihrer aktuellen Publikation machen sie nun zudem einen Vorschlag, wie man diesen Gravitinos experimentell auf die Spur kommen könnte.

In ihren Arbeiten greifen Nicolai und Meissner eine alte Idee des Physik-Nobelpreisträgers von 1969, Murray Gell-Mann, auf, welche auf der „N=8 Supergravitationstheorie“ basiert. Ein wesentliches Element ihres Ansatzes ist eine neuartige unendlich-dimensionale Symmetrie, welche das beobachtete Spektrum der bekannten Quarks und Leptonen in drei Familien erklären soll. „Aus unserem Ansatz ergeben sich tatsächlich keine zusätzlichen Teilchen für gewöhnliche Materie, die anschließend wieder wegdiskutiert werden müssten, weil sie sich in den Beschleunigerexperimenten nicht zeigen“, sagt Nicolai. „Im Gegensatz dazu kann unser Ansatz zumindest im Prinzip genau das erklären, was man sieht.“

Die Suche nach Dunkler Materie bringt mitunter auch andere unerwartete Erkenntnisse, wie die Entdeckung eines extrem seltenen Atomzerfalls:

Der Kitt der Galaxien

Allerdings lassen sich die Vorgänge im Kosmos nicht ausschließlich mit gewöhnlicher, uns bekannter Materie deuten. Ein Indiz dafür ist die Bewegung von Galaxien im All: Sie rotieren mit hoher Geschwindigkeit – und zwar so schnell, dass sie eigentlich auseinander fliegen müssten. Denn die Gravitation der sichtbaren Materie allein reicht nicht aus, um die Zentrifugalkraft dieser Rotation auszugleichen. Es scheint eine Art Dunkle Materie zu fehlen, die mit ihrer zusätzlichen Gravitation die Galaxien zusammenhält. Tatsächlich zeigen die Modelle der Astronomen, dass das Universum nur zu rund fünf Prozent aus sichtbarer Materie besteht. Jedoch weiß bisher trotz vieler Vorschläge niemand, woraus der Rest im Detail zusammengesetzt ist. Es wird vermutet, dass etwa 70% aus Dunkler Energie bestehen, die für die Expansion des gesamten Universums verantwortlich sein soll, und die übrigen 25% aus noch nicht nachweisbarer Dunkler Materie, die als „Kitt“ für die Galaxien dient. Die Natur der Dunklen Materie ist daher eine der wichtigsten offenen Fragen der Kosmologie.

„Nach gängigen Erwartungen besteht Dunkle Materie aus einem Elementarteilchen, das sich bisher nicht nachweisen ließ, weil es sich im Universum fast nur durch seine Schwerkraft bemerkbar macht“, sagt Nicolai. Aus dem zusammen mit Meissner ausgearbeiteten Modell resultiert ein neuer Kandidat für solch ein Dunkle-Materie-Teilchen, welches jedoch völlig andere Eigenschaften aufweist als alle bisher diskutierten Kandidaten, etwa Axionen oder WIMPs. Letztere sollten nämlich nur sehr schwach mit bekannter Materie wechselwirken.

„Superschwere“ Elementarteilchen

Blick auf Dunkle Materie: Dieses Foto – eine Montage aus mehreren Bildern – zeigt die kollidierenden Galaxienhaufen 1E 0657-56, besser bekannt unter dem Namen „Bullet Cluster“. Den im Hintergrundbild sichtbaren Galaxien im optischen Licht überlagert sind die Röntgenstrahlung der intergalaktischen Gaswolken (pink) sowie die aus Gravitationslinseneffekten berechnete Masseverteilung und damit indirekt die Dunkle Materie (blau).
Blick auf Dunkle Materie: Dieses Foto – eine Montage aus mehreren Bildern – zeigt die kollidierenden Galaxienhaufen 1E 0657-56, besser bekannt unter dem Namen „Bullet Cluster“. Den im Hintergrundbild sichtbaren Galaxien im optischen Licht überlagert sind die Röntgenstrahlung der intergalaktischen Gaswolken (pink) sowie die aus Gravitationslinseneffekten berechnete Masseverteilung und damit indirekt die Dunkle Materie (blau).
(Bild: NASA/CXC/M. Weiss – Chandra X-Ray Observatory)

Auch für die Gravitinos wird eine schwache Wechselwirkung mit bekannter Materie postuliert. Schon früher haben Wissenschaftler diese theoretischen Teilchen in Verbindung mit Niederenergie-Supersymmetrie immer wieder ins Spiel gebracht. Der Ansatz von Nicolai und Meissner weicht davon aber deutlich ab, denn er weist der Supersymmetrie keine primäre Rolle mehr zu. „Insbesondere sagt unser Modell die Existenz von superschweren Gravitinos vorher, die außerdem im Gegensatz zu den handelsüblichen Kandidaten stark und elektromagnetisch mit gewöhnlicher Materie wechselwirken“, sagt Nicolai.

Doch wenn sie – anders als bisher vorgeschlagene Dunkle-Materie-Teilchen – mit der bekannten Materie wechselwirken, wieso blieben sie dann bis heute unentdeckt? Hier führen die Forscher die geringe Konzentration der Gravitinos an: Ihre große Masse bedingt, dass diese Teilchen nur sehr verdünnt im Weltall auftreten können, denn ihr Gesamtbeitrag zur Masse im Universum darf nicht mehr als 25,8 Prozent betragen. Laut dem Max-Planck-Forscher Nicolai bräuchte man in unserer Galaxie deshalb lediglich ein Gravitino auf 10.000 Kubikkilometer, im interstellaren Raum noch weniger, um die Dunkle Materie zu erklären. Wenn diese geringe Verteilung zutrifft, würde die Masse der Gravitinos im Bereich der Planck-Masse liegen, also bei etwa einem Hundertmillionstel Kilogramm (10-8 kg). Zum Vergleich: Protonen und Neutronen sind etwa zehn Trillionen Mal leichter (10-27 kg). Im intergalaktischen Raum wäre die Dichte noch sehr viel niedriger.

Stabil durch Ladung

Dass die Gravitinos nicht unter ihrem für Elementarteilchen enormen Eigengewicht kollabieren, haben die Teilchenphysiker ebenfalls in ihrem Modell bedacht. „Wesentlich für die Stabilität der schweren Gravitinos ist unter anderem ihre besondere Ladung“, sagt Nicolai. „Es gibt nämlich ganz einfach keinen entsprechenden geladenen Endzustand im Standardmodell, in welchen diese Gravitinos zerfallen könnten – andernfalls wären sie schon kurz nach dem Urknall verschwunden.“

Ihre starke Wechselwirkung mit bekannter Materie könnte Forschern helfen, solche Dunkle-Materie-Teilchen trotz ihrer extremen Seltenheit aufzuspüren. Eine Möglichkeit dazu könnten Flugzeitmessungen tief im Untergrund bieten, da sich diese Teilchen sehr viel langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen – im Gegensatz zu gewöhnlichen, aus der kosmischen Strahlung herrührenden Elementarteilchen. Dennoch würden sie wegen ihrer großen Masse die Erde mühelos durchdringen.

Die Erde als Teilchendetektor?

Diese Tatsache führte die Forscher auf die Idee, unseren Planeten selbst als „Paläo-Detektor“ zu verwenden: Die Erde fliegt seit etwa 4,5 Milliarden Jahren durchs All, und in dieser Zeit müssten schon viele solcher massiven Gravitinos durch sie hindurchgeflogen sein. Dabei sollten die Partikel lange, gerade Ionisationsspuren im Gestein hinterlassen haben, die allerdings von Spuren unterschieden werden müssten, die von bekannten Elementarteilchen herrühren könnten.

„Es ist bekannt, dass ionisierende Strahlung zu Gitterdefekten in Kristallstrukturen führt. Vielleicht gelingt es in Kristallen, die über Jahrmillionen stabil bleiben, Relikte solcher Ionisationsspuren nachzuweisen“, sagt Nicolai. Diese Methode könnte dank ihrer langen „Belichtungszeit“ selbst dann zum Ziel führen, wenn die Dunkle Materie entgegen allgemeiner Erwartung nicht absolut homogen in der Galaxie verteilt ist, sondern lokalen Dichtefluktuationen unterliegt – was auch erklären könnte, warum die Suche nach konventionellen Dunkle-Materie-Kandidaten bisher erfolglos geblieben ist.

Originalpublikationen: K. A. Meissner, H. Nicolai; Planck Mass Charged Gravitino Dark Matter; Physical Review Vol. 100, Iss. 3 — 1 August 2019; DOI: 10.1103/PhysRevD.100.035001

K. A. Meissner, H. Nicolai; Standard Model Fermions and Infinite-Dimensional R Symmetries; Phys. Rev. Lett. 121, 091601 – Published 31 August 2018; DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.091601

* Dr. E. Müller*, Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, 14476 Potsdam-Golm

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