Diese seltsamen 'Quasiteilchen' könnten endlich Dunkle Materie entlarven

Ungefähr 80% aller Materie im Kosmos hat eine Form, die der gegenwärtigen Physik völlig unbekannt ist. Wir nennen es dunkle Materie, weil es, so gut wir können,… dunkel ist. Experimente auf der ganzen Welt versuchen, ein streunendes Teilchen der dunklen Materie einzufangen, in der Hoffnung, es zu verstehen, aber bisher sind sie leer aufgetaucht.

Kürzlich hat ein Team von Theoretikern einen neuen Weg vorgeschlagen, mit seltsamen "Teilchen", den Magnonen, nach dunkler Materie zu suchen, ein Name, den ich nicht nur erfunden habe. Diese winzigen Wellen könnten sogar ein flüchtiges, leichtes Teilchen der dunklen Materie aus dem Versteck locken, sagen diese Theoretiker. [Die 11 größten unbeantworteten Fragen zur Dunklen Materie]

Das Rätsel der dunklen Materie

Wir wissen alles Mögliche über dunkle Materie, mit der bemerkenswerten Ausnahme dessen, was es ist.

Obwohl wir es nicht direkt erkennen können, sehen wir die Hinweise auf dunkle Materie, sobald wir unsere Teleskope für das weitere Universum öffnen. Die erste Entdeckung erfolgte bereits in den 1930er Jahren durch Beobachtungen von Galaxienhaufen, einigen der größten Strukturen im Universum. Die Galaxien, die sie bewohnten, bewegten sich einfach zu schnell, um als Cluster zusammengehalten zu werden. Das liegt daran, dass die kollektive Masse der Galaxien den Gravitationskleber ergibt, der den Cluster zusammenhält - je größer die Masse, desto stärker der Klebstoff. Ein superstarker Kleber kann selbst die sich am schnellsten bewegenden Galaxien zusammenhalten. Je schneller und der Cluster würde sich einfach auseinander reißen.

Aber dort existierten die Cluster, in denen Galaxien viel schneller herumschwirrten, als sie angesichts der Masse des Clusters sollten. Etwas hatte genug Gravitationsgriff, um die Cluster zusammenzuhalten, aber dieses Etwas emittierte oder interagierte nicht mit Licht.

Dieses Rätsel blieb über die Jahrzehnte ungelöst, und in den 1970er Jahren erhöhte die Astronomin Vera Rubin den Einsatz durch Beobachtung von Sternen in Galaxien erheblich. Wieder einmal bewegten sich die Dinge zu schnell: Angesichts ihrer beobachteten Masse hätten sich die Galaxien in unserem Universum vor Milliarden von Jahren auseinander drehen müssen. Etwas hielt sie zusammen. Etwas Unsichtbares. [11 faszinierende Fakten über unsere Milchstraßengalaxie]

Die Geschichte wiederholt sich im gesamten Kosmos, sowohl zeitlich als auch räumlich. Vom frühesten Licht vom Urknall bis zu den größten Strukturen im Universum ist etwas Funkiges da draußen.

Im Dunkeln suchen

Dunkle Materie ist also sehr vorhanden - wir können einfach keine andere tragfähige Hypothese finden, um den Tsunami von Daten zur Unterstützung ihrer Existenz zu erklären. Aber was ist es? Wir gehen davon aus, dass dunkle Materie eine Art neues, exotisches Teilchen ist, das der Physik bisher unbekannt war. In diesem Bild überflutet dunkle Materie jede Galaxie. Tatsächlich ist der sichtbare Teil einer Galaxie, gesehen durch Sterne und Wolken aus Gas und Staub, nur ein winziger Leuchtturm vor einem viel größeren, dunkleren Ufer. Jede Galaxie befindet sich in einem großen "Heiligenschein", der aus Millionen von Partikeln dunkler Materie besteht.

Diese Partikel der dunklen Materie strömen gerade durch Ihren Raum. Sie strömen durch dich. Ein unendlicher Regenschauer aus winzigen, unsichtbaren Partikeln der dunklen Materie. Aber man merkt sie einfach nicht. Sie interagieren nicht mit Licht oder geladenen Teilchen. Sie bestehen aus geladenen Teilchen und sind sehr lichtfreundlich. Sie sind für dunkle Materie unsichtbar und dunkle Materie ist für Sie unsichtbar. Der einzige Weg, wie wir dunkle Materie "sehen", ist durch die Gravitationskraft; Die Schwerkraft bemerkt jede Form von Materie und Energie im Universum, ob dunkel oder nicht. Auf den größten Skalen beobachten wir den Einfluss der kombinierten Masse all dieser unzähligen Teilchen. Aber hier in deinem Zimmer? Nichts.

Es sei denn, wir hoffen, es gibt eine andere Art und Weise, wie dunkle Materie mit uns normaler Materie interagiert. Es ist möglich, dass das Teilchen der Dunklen Materie, wie auch immer es sein mag, auch die schwache Kernkraft spürt, die für den radioaktiven Zerfall verantwortlich ist und ein neues Fenster in dieses verborgene Reich öffnet. Stellen Sie sich vor, Sie bauen einen riesigen Detektor, nur eine große Masse von Elementen, die Sie zur Hand haben. Dunkle Materieteilchen strömen durch sie hindurch, fast alle völlig harmlos. Aber manchmal, mit einer Seltenheit, die vom jeweiligen Modell der Dunklen Materie abhängt, interagiert das vorbeiziehende Teilchen über die schwache Kernkraft mit einem der Atomkerne der Elemente im Detektor, stößt ihn an seinen Platz und bildet die gesamte Masse des Detektors Köcher.

Betritt den Magnon

Dieser Versuchsaufbau funktioniert nur, wenn das Teilchen der dunklen Materie relativ schwer ist, was ihm genug Schwung verleiht, um einen Kern in einer dieser seltenen Wechselwirkungen auszuschalten. Aber bis jetzt hat keiner der Detektoren für dunkle Materie auf der ganzen Welt eine Spur einer Interaktion gesehen, selbst nach Jahren der Suche. Mit fortschreitenden Experimenten wurden die zulässigen Eigenschaften der Dunklen Materie langsam ausgeschlossen. Das ist nicht unbedingt eine schlechte Sache; Wir wissen einfach nicht, woraus dunkle Materie besteht. Je mehr wir wissen, was es nicht ist, desto klarer wird das Bild davon, was es sein könnte.

Aber der Mangel an Ergebnissen kann ein wenig besorgniserregend sein. Die schwersten Kandidaten für dunkle Materie werden ausgeschlossen, und wenn das mysteriöse Teilchen zu hell ist, wird es in den Detektoren, wie sie gerade eingerichtet sind, niemals gesehen. Das heißt, es sei denn, es gibt eine andere Möglichkeit, wie dunkle Materie mit regulärer Materie sprechen kann.

In einem kürzlich im Preprint-Online-Journal arXiv veröffentlichten Artikel beschreiben Physiker einen vorgeschlagenen Versuchsaufbau, der ein Teilchen der Dunklen Materie beim Ändern des Elektronenspins erkennen könnte (wenn Dunkle Materie dies tatsächlich kann). In diesem Aufbau kann möglicherweise dunkle Materie erkannt werden, selbst wenn das verdächtige Partikel sehr hell ist. Dies kann erreicht werden, indem im Material sogenannte Magnonen erzeugt werden.

Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Stück Material bei einer Temperatur von absolut Null. Alle Drehungen - wie winzige kleine Stabmagnete - aller Elektronen in dieser Angelegenheit zeigen in die gleiche Richtung. Wenn Sie die Temperatur langsam erhöhen, erwachen einige der Elektronen, wackeln herum und richten ihre Drehungen zufällig in die entgegengesetzte Richtung. Je höher Sie die Temperatur erhöhen, desto mehr Elektronen werden umgedreht - und jeder dieser Umdrehungen verringert die magnetische Stärke nur geringfügig. Jeder dieser umgedrehten Drehungen verursacht auch eine kleine Welligkeit in der Energie des Materials, und diese Wackelbewegungen können als Quasiteilchen angesehen werden, nicht als echtes Teilchen, sondern als etwas, das Sie auf diese Weise mit Mathematik beschreiben können. Diese Quasiteilchen sind als "Magnonen" bekannt, wahrscheinlich weil sie wie winzige, süße kleine Magnete sind.

Wenn Sie also mit einem wirklich kalten Material beginnen und genügend dunkle Materieteilchen auf das Material treffen und einige Drehungen umdrehen, werden Sie Magnonen beobachten. Aufgrund der Empfindlichkeit des Experiments und der Art der Wechselwirkungen kann dieser Aufbau ein leichtes Teilchen der dunklen Materie nachweisen.

Das heißt, wenn es existiert.

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Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State University, Gastgeber von Fragen Sie einen Raumfahrer und Weltraumradio, und Autor von Dein Platz im Universum.

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