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Neues Modell für Dunkle Materie im All

Phasenübergang im frühen Universum ändert die Stärke der Wechselwirkung zwischen Dunkler und normaler Materie

Die Dunkle Materie ist nach wie vor eines der größten Rätsel der modernen Physik. Es ist klar, dass es sie geben muss, denn ohne Dunkle Materie lässt sich etwa die Bewegung von Galaxien nicht erklären. Aber noch nie ist es gelungen, Dunkle Materie in einem Experiment direkt nachzuweisen.

Aktuell gibt es viele Vorschläge für neue Experimente: Sie zielen darauf ab, die Dunkle Materie über ihre Streuung an Protonen und Neutronen, den Bestandteilen des Atomkerns, direkt nachzuweisen.

Ein Autorenteam hat nun einen neuen Kandidaten für Dunkle Materie vorgeschlagen – und ihm den Namen HYPER, für „HighlY Interactive ParticlE Relics“ gegeben.

Der Clou: Im HYPER Modell erhöht sich einige Zeit nach der Entstehung der Dunklen Materie im frühen Universum schlagartig die Stärke ihrer Wechselwirkung mit normaler Materie – was sie einerseits heute potentiell nachweisbar macht und gleichzeitig die Menge an Dunkler Materie erklären kann.

Die neue Vielfalt im Dunkle Materie Sektor

Nachdem die Suche nach schweren Dunkle Materie-Teilchen, so genannten WIMPs, bisher nicht zum Erfolg geführt hat, sucht die Forschergemeinde nach alternativen, vor allem auch leichteren Dunkle Materie-Teilchen. Gleichzeitig würde man im Allgemeinen Phasenübergänge auch im dunklen Sektor erwarten, schließlich gibt es mehrere im sichtbaren Sektor.

Doch bisherige Studien haben sie eher vernachlässigt. „Für den Massenbereich, den einige geplante Experimente zugänglich machen wollen, gab es bisher noch kein konsistentes Dunkle Materie Modell“, sagt Gilly Elor. „Unser HYPER-Modell zeigt nun, dass ein Phasenübergang tatsächlich dazu beitragen kann, die Dunkle Materie leichter nachweisbar zu machen.“

Die Herausforderung für ein passendes Modell: Wenn die Dunkle Materie zu stark mit normaler Materie wechselwirkt, wäre ihre (genau bekannte) Menge, die sich im frühen Universum gebildet hat, zu klein und würde astrophysikalischen Beobachtungen widersprechen. Wenn Dunkle Materie jedoch in der richtigen Menge produziert würde, wäre die Wechselwirkung umgekehrt zu schwach, um sie in heutigen Experimenten nachweisen zu können.

„Unsere zentrale Idee, die dem HYPER Modell zugrunde liegt, ist, dass sich die Wechselwirkung einmalig sprunghaft ändert – so haben wir das Beste aus beiden Welten: die richtige Menge an Dunkler Materie und eine große Wechselwirkung, so dass wir sie nachweisen können“, erläutert Robert McGehee.

Und das stellen sich die Forschenden so vor: In der Teilchenphysik wird eine Wechselwirkung in der Regel über ein bestimmtes Teilchen, einen so genannten Mediator, vermittelt – so auch die Wechselwirkung von Dunkler Materie mit normaler Materie. Sowohl die Entstehung der Dunklen Materie als auch deren Detektion funktionieren über diesen Mediator, wobei die Stärke der Wechselwirkung von dessen Masse abhängt: Je größer die Masse, desto schwächer die Wechselwirkung.

Dabei muss der Mediator zunächst schwer genug sein, damit sich die korrekte Menge an Dunkler Materie bilden kann und später leicht genug, damit Dunkle Materie überhaupt nachweisbar ist. Die Lösung: Es gab nach der Entstehung der Dunklen Materie einen Phasenübergang, bei dem sich die Masse des Mediators plötzlich verkleinerte. „So wird einerseits die Masse an Dunkler Materie konstant gehalten und anderseits die Wechselwirkung derart geboostet oder verstärkt, dass Dunkle Materie direkt nachweisbar sein sollte“, berichtet Aaron Pierce.

Neues Modell deckt fast den kompletten Parameterbereich geplanter Experimente ab

Mehr noch: „Das HYPER Modell der Dunklen Materie ist in der Lage beinahe den gesamten Bereich, den die neuen Experimente zugänglich machen, abzudecken“, ergänzt Gilly Elor.

Konkret hat sich das Forscherteam zunächst überlegt, wie groß die durch den Mediator vermittelte Wechselwirkung mit den Protonen und Neutronen eines Atomkerns maximal sein kann, um im Einklang mit astrophysikalischen Beobachtungen und bestimmten teilchenphysikalischen Zerfällen zu stehen. Im nächsten Schritt galt es zu überlegen, ob es ein Modell für Dunkle Materie gibt, das diese Wechselwirkung aufweist. „Und hier kam uns die Idee des Phasenübergangs“, beschreiben die Autoren im aktuellen Artikel.

„Wir haben dann die Menge an Dunkler Materie berechnet, die es im Universum gibt, und anschließend den Phasenübergang mit unseren Rechnungen simuliert.“ Dabei gibt es sehr viele Rahmenbedingungen zu beachten, zum Beispiel eine konstante Menge an Dunkler Materie.

„Hier müssen wir systematisch sehr viele Szenarien bedenken und einbeziehen, zum Beispiel die Frage stellen, ob wirklich sicher ist, dass unser Mediator nicht doch plötzlich zur Bildung neuer Dunkler Materie führt, was natürlich nicht sein darf“, so Gilly Elor. „Aber am Ende konnten wir uns davon überzeugen, dass unser HYPER Modell funktioniert!“

Quelle: Pressemeldung der Universität Mainz

Kommentare

6 Antworten

  1. Ich sehe das genauso wie Peter Rösch. Alles nur für Laien interessant sich anhörende Hypothesen, die prinzipiell weder rechnerisch und schon gar nicht experimentell verifizierbar sind, mit dem Ziel, neue Milliarden Forschungsgelder locker zu machen. Ähnliches ist verstärkt in der aktuellen Raumfahrtdiskussion zu beobachten. Als gäbe es für die Menschheit nichts Wichtigeres zu tun.

  2. Die Dunkle Materie ist ein wissenschaftliches Postulat. Sie konnte bisher nicht nachgewiesen werden, sondern ihr Vorhandensein wird gefordert, um bestimmte Dinge im Universum z.B. Bewegung der Galaxien in der Raum-Zeit erklären zu können.
    Auch der Urknall ist eine Hypothese. Niemand wird ihn nachweisen können, man schließt aber aufgrund physikalischer Ereignisse wie Hintergrundrauschen im Universum, dass es ihn wahrscheinlich auch gegeben hat. Denken wir daran, der Herr ist König und Schöpfer. Erst in der Ewigen Herrlichkeit werden wir Vieles besser verstehen können als jetzt. Darum bin ich dafür, für diese Forschungen, auch nicht für die subatomare Materie, weiter Geld auszugeben, sondern sich den Brennpunkten hier auf der Erde zu stellen, denn es gibt für uns keinen Ersatz. Wichtig ist die CO2-Senkung und Wiederbegrünung von Halbwüsten. Man könnte an konventionelle Kohlekraftwerke CO 2-Abscheider anbauen, dann könnte man damit den CO-2 Gehalt der Luft deutlich senken, wenn das flächendeckend geschieht. Falsch ist, Wasser zu zersetzen in Sauerstoff und Wasserstoff, weil nachher nicht gleichviel Wasser wie vorher entsteht, sodass die Dürren noch schlimmer werden,

  3. Mir kommt dies alles so vor, als ob die Forschung so lange forscht, bis sich das Ergebnis, das man sich wünscht, als neue Hypothese wirklich eintritt. Nachweisbar ist das natürlich nicht; man stellt sich vor, daß es so gewesen sein könnte. Oder doch nicht? Gott, der Schöpfer allein wüsste es..

    1. Es sind Scheinprobleme mit Scheinerklärungen. Anfang des 20.Jahrhunderts war man mit der Ätherforschung in der Physik auf einem guten Weg, der aber aufgrund einer schon rechentechnisch durchschaubar falschen Theorie verlassen wurde. Seither wird nur noch auf der Grundlage physikalisch absonderlicher Vorstellungen und Begrifflichkeiten herumgeschwurbelt. Hauptsache, die Politik macht wieder Geldmengen für einen neuen Mega-Collider locker. Sonst gälte man vielleicht als Antisemit.

  4. 1.
    Du großer Gott, wenn ich die Welt betrachte,
    die du geschaffen durch dein Allmachtswort;
    wenn ich auf alle jene Wesen achte,
    die du regierst und nährest fort und fort;
    /: dann jauchzt mein Herz dir, großer Herrscher zu:
    Wie groß bist du! Wie groß bist du! :/
    2.
    Blick‘ ich empor zu jenen lichten Welten
    und seh‘ der Sterne unzählbare Schar,
    wie Sonn‘ und Mond im lichten Äther zelten,
    gleich gold’nen Schiffen hehr und wunderbar;
    /: dann jauchzt mein Herz dir, großer Herrscher zu:
    Wie groß bist du! Wie groß bist du! :/
    3.
    Wenn mir der Herr in seinem Wort begegnet,
    wenn ich die großen Gnadentaten seh‘,
    wie er das Volk des Eigentums gesegnet,
    wie er’s geliebt, begnadigt je und je;
    /: dann jauchzt mein Herz dir, großer Herrscher zu:
    Wie groß bist du! Wie groß bist du! :/
    4.
    Und seh‘ ich Jesus auf der Erde wandeln
    in Knechtsgestalt, voll Lieb‘ und voller Huld,
    wenn ich im Geiste seh‘ sein göttlich Handeln,
    am Kreuz bezahlen vieler Sünder Schuld;
    /: dann jauchzt mein Herz dir, großer Herrscher zu:
    Wie groß bist du! Wie groß bist du! :/

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