Neue Theorie zur Entstehung dunkler Materie

  • 08. August 2017

Instabile Teilchen als Alternative zum WIMP-Paradigma.

Das Universum besteht nur zu einem kleinen Teil aus sicht­barer Materie. Der weit größere Teil ist unsicht­bar und setzt sich aus dunkler Materie und dunkler Energie zusammen. Während über die dunkle Energie extrem wenig bekannt ist, gibt es zur Existenz der dunklen Materie viele Theorien und Experi­mente, die nach den noch unbe­kannten Teilchen suchen. Wissen­schaftler der Uni Mainz haben nun einen neuen Vorschlag unter­breitet, wie die Bildung dunkler Materie im frühen Uni­versum abge­laufen sein könnte. Das neue Modell stellt eine Alter­native zum WIMP-Para­digma dar, das in der aktu­ellen Forschung über verschie­dene Experi­mente verfolgt wird.

Higgs-Teilchen

Abb.: Die Eigenschaften der Higgs-Teilchen in dem neuen Modell der dunklen Materie unter­scheiden sich von denen im Standard­modell der Teil­chen­physik. Die Ab­bil­dung zeigt die Energie der Higgs-Teil­chen in Ab­hängig­keit von den Modell­para­metern. (Bild: M- Baker, U. Mainz)

Dunkle Materie durchdringt das gesamte Universum, formt Galaxien und die größten bekannten Struk­turen im Kosmos. Sie macht ungefähr 23 Prozent unseres Uni­ver­sums aus, während die für uns sicht­baren Teilchen, aus denen Sterne, Planeten und auch das Leben auf der Erde besteht, nur etwa vier Prozent bei­tragen. Derzeit wird ange­nommen, dass es sich bei der dunklen Materie um ein kosmo­lo­gisches Relikt handelt, das seit seiner Ent­stehung im Wesent­lichen stabil geblieben ist. „Wir haben diese Annahme auf den Prüf­stand gestellt und zeigen, dass dunkle Materie zu Beginn des Uni­ver­sums instabil gewesen sein könnte“, erklärt Michael Baker von der Uni Mainz. Diese Insta­bi­lität stellt wiede­rum einen neuen Mecha­nismus dar, der die beob­achtete Menge dunkler Materie im Kosmos erklärt.

Die Stabilität dunkler Materie wird normalerweise mit einem Symmetrie­prinzip erklärt. Baker und sein Kollege Joachim Kopp zeigen dagegen, dass das Uni­ver­sum auch durch eine Phase gegangen sein könnte, in der die Symmetrie gebrochen war. Das würde einen Zerfall des hypo­the­tischen Teil­chens der dunklen Materie möglich machen. Während des elek­tro­schwachen Phasen­über­gangs wurde die Symmetrie wieder herge­stellt, die dunkle Materie damit stabi­li­siert und ihr Vor­kommen im All bis zum heutigen Tag fixiert.

Baker und Kopp führen damit ein neues Prinzip in die Diskus­sion um die Natur der dunklen Materie ein, das eine Alter­native zu der ver­brei­teten WIMP-Theorie darstellt. WIMPs, vom eng­lischen „weakly inter­acting massive particles“, also schwach wechsel­wirkende masse­reiche Teil­chen, galten bis­lang als hoff­nungs­volle Kandi­daten bei der Suche nach den Bestand­teilen der dunklen Materie. Nach ihnen wird insbe­sondere in gut abge­schirmten Unter­grund­detek­toren gesucht. „Die Abwesen­heit von über­zeu­genden Signalen moti­vierte uns, nach Alter­nativen zum WIMP-Para­digma zu suchen“, so Kopp.

Der jetzt vorgestellte Mechanismus könnte auch, so die beiden Forscher, in Verbin­dung zu dem offen­sicht­lichen Ungleich­gewicht zwischen Materie und Anti­materie im Kosmos gebracht werden, wie auch zu Signalen, die bei den anste­henden Experi­menten zu Gravi­ta­tions­wellen auf­kommen. Baker und Kopp liefern auch Hin­weise, wie das neue Prinzip am Teil­chen­beschleu­niger LHC und anderen Ein­rich­tungen nach­ge­wiesen werden könnte.

JGU / RK

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