Quelle: Technische Universität München 12. Dezember 2022.

12. Dezember 2022 – Einem Forschungsteam unter Beteiligung der Technischen Universität München (TUM) ist es nun gelungen, die Überlebensrate von Antihelium-Kernen aus den Tiefen der Galaxis zu bestimmen – eine notwendige Voraussetzung für die indirekte Suche nach Dunkler Materie.

Hinweise auf Dunkle Materie gibt es viele. Daraus, wie sich Galaxien in Galaxienhaufen bewegen, oder wie schnell Sterne um das Zentrum einer Galaxie kreisen, lässt sich errechnen, dass sehr viel mehr Masse vorhanden sein muss als jene, die sichtbar ist. Unser Milchstraßensystem beispielsweise besteht zu rund 85 Prozent aus einer Substanz, die nicht sichtbar ist und sich nur durch ihre Gravitationswirkung bemerkbar macht. Ein direkter Nachweis dieser Materie ist bis heute noch nicht gelungen.

Mehrere theoretische Modelle für Dunkle Materie gehen davon aus, dass sie aus Teilchen bestehen könnte, die schwach untereinander wechselwirken. Dabei entstehen Antihelium-3-Kerne, die aus zwei Antiprotonen und einem Antineutron bestehen. Auch bei hochenergetischen Kollisionen zwischen kosmischer Strahlung und gewöhnlicher Materie wie Wasserstoff und Helium entstehen diese Kerne – allerdings mit anderen Energien, als es bei der Wechselwirkung Dunkler-Materie-Teilchen der Fall sein müsste.

Bei beiden Prozessen haben die Antiteilchen ihren Ursprung in den Tiefen der Galaxis, mehrere 10.000 Lichtjahre entfernt von uns. Nach ihrer Entstehung macht sich ein Teil von ihnen auf den Weg zu uns. Wie viele der Teilchen diese Reise unbeschadet überstehen und als Boten ihres Entstehungsprozesses in die Nähe der Erde gelangen, wird über die Durchlässigkeit oder Transparenz der Milchstraße für Antihelium-Kerne bestimmt. Bislang konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diesen Wert nur grob abschätzen. Eine bessere Eingrenzung der Transparenz, ein Maß für die Anzahl und Energien von Antikernen, ist allerdings wichtig für die Interpretation zukünftiger Antihelium-Messungen.

Teilchenbeschleuniger LHC als Antimateriefabrik
Forschende der ALICE-Kollaboration führten nun Messungen durch, mit denen sie die Transparenz erstmals genauer festlegen konnten. ALICE steht für A Large Ion Collider Experiment und ist eines der größten Experimente der Welt, um die Physik auf den kleinsten Längenskalen zu erforschen. ALICE ist Teil des Large Hadron Colliders (LHC) am CERN.

Am LHC lassen sich große Mengen an leichten Antikernen wie Antihelium erzeugen. Zu diesem Zweck werden jeweils Protonen und Blei-Atome auf Kollisionskurs gebracht. Bei den Zusammenstößen entstehen Teilchenschauer, die der Detektor des ALICE-Experiments aufzeichnet. Dank mehrerer Teilsysteme des Detektors können die Forschenden dann die entstandenen Antihelium-3-Kerne nachweisen und ihre Spur im Detektormaterial verfolgen. So lässt sich quantifizieren, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Antihelium-3-Kern mit dem Detektormaterial wechselwirkt und verschwindet. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen der TUM und des Exzellenzclusters ORIGINS haben maßgeblich zur Analyse der experimentellen Daten beigetragen.

Galaxis durchlässig für Antikerne
Mithilfe von Simulationen konnten die Forschenden die Ergebnisse aus dem ALICE-Experiment auf die gesamte Galaxis übertragen. Das Resultat: Etwa die Hälfte der Antihelium-3-Kerne, die bei der Wechselwirkung von Teilchen der Dunklen Materie entstehen soll, würde die erdnahe Umgebung erreichen. Unsere Milchstraße ist somit zu 50 Prozent durchlässig für diese Antikerne. Für Antikerne, die durch Kollisionen von kosmischer Strahlung mit dem interstellaren Medium entstehen, variiert die erhaltene Transparenz von 25 bis 90 Prozent mit zunehmendem Antihelium-3-Impuls. Diese Antikerne lassen sich jedoch von jenen, die aus Dunkler Materie entstehen, aufgrund ihrer höheren Energie unterscheiden.

„Dies ist ein hervorragendes Beispiel für eine interdisziplinäre Analyse, die zeigt, wie Messungen an Beschleunigern direkt mit der Untersuchung der kosmischen Strahlung im Weltraum verbunden werden können“, sagt ORIGINS Wissenschaftlerin Prof. Laura Fabbietti von der TUM School of Natural Sciences. Die Ergebnisse vom ALICE Experiment am LHC sind von großer Bedeutung für die Suche nach Antimaterie im Weltraum mit dem AMS-02 Modul (Alpha Magnetic Spectrometer) auf der internationalen Raumstation ISS. Ab 2025 wird dann das GAPS-Ballonexperiment über der Arktis die ankommende kosmische Strahlung auf Antihelium-3 untersuchen.

Weitere Informationen:
An den Arbeiten zur Antihelium-3-Wechselwirkung unter der Leitung von Prof. Dr. Laura Fabbietti waren Arbeitsgruppen um Prof. Dr. Alejandro Ibarra an der TUM sowie Dr. Andrew Strong am Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik beteiligt. Die Forschung wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über den Exzellenzcluster ORIGINS, EXC 2094 – 390783311 und den Sonderforschungsbereich SFB1258 gefördert sowie vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).

Originalpublikation:
ALICE Collaboration: Measurement of anti-3He nuclei absorption in matter and impact on their propagation in the Galaxy, Nature Physics.
https://www.nature.com/articles/s41567-022-01804-8

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• Dunkle Materie

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Quelle: Universität Hamburg 25. Oktober 2022.

Die Ausstellung ist ein einzigartiges Kooperationsprojekt zwischen den Hamburger Wissenschaftseinrichtungen Universität Hamburg und ihrem Exzellenzcluster Quantum Universe mit dem Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY und dem Museum der Arbeit. Es macht die Spitzenforschung der Hansestadt für ihre Bürgerinnen und Bürger erfahrbar und bietet auch ein umfangreiches Begleitprogramm für Kinder und Jugendliche.

Auf der Reise zum Ursprung des Universums geht es dabei mehr als 13 Milliarden Jahre zurück. Die Ausstellung gibt spannende Einblicke in die neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse in der Teilchenphysik, Astroteilchenphysik und Kosmologie und präsentiert sie auf interaktive Weise: Eine Funkenkammer macht die allgegenwärtige Strahlung sichtbar, die an den Grenzen unserer Atmosphäre beim Aufprall hochenergetischer Teilchen aus den Tiefen des Weltalls entsteht. In der interaktiven Installation „Big Bang“ können die Besucherinnen und Besucher das frühe Universum entdecken und durch das Zeitalter der Elementarteilchen navigieren oder sich in der „Dark Matter Simulation“ anschauen, was ein veränderter Anteil von Dunkler Materie in Sternensystemen für Effekte hat.

Prof. Dr. Rita Müller, Direktorin des Museums der Arbeit: „Das Museum der Arbeit hat sich in seinen Ausstellungen der letzten Jahre mit vielen besonders relevanten Themen auseinandergesetzt – von der zunehmenden Bedeutung der künstlichen Intelligenz über die Rolle von Hamburger Unternehmen im Kolonialismus bis hin zum Umgang mit gesellschaftlichen Konflikten. Der Blick dieser Ausstellungen richtete sich vornehmlich auf die jüngere Geschichte und die unmittelbare Gegenwart. Mit der Ausstellung „Wie alles begann“ lädt das Museum nun zu einer Zeitreise zum Ursprung unseres Universums ein und präsentiert auf anschauliche Weise die aktuellsten Erkenntnisse aus der Physik und die Arbeit der Forschenden. Ich freue mich sehr, dass dieses außergewöhnliche Ausstellungsprojekt im Museum der Arbeit zu sehen ist und danke allen beteiligten wissenschaftlichen Institutionen für die großartige Zusammenarbeit.“

Prof. Dr. Hauke Heekeren, Präsident der Universität Hamburg: „Wer möchte nicht mehr über ihn wissen – über den Ursprung unseres Universums? Das geht Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern nicht anders als interessierten Bürgerinnen und Bürgern. Daher ist es für uns als Hochschule ein ganz elementarer Teil unserer Aufgabe, uns in die Gesellschaft zu öffnen und zum Beispiel mit Ausstellungen und Kooperationen wie dieser unser Wissen zu vermitteln, auch außerhalb unseres eigenen Wirkungskreises. Ich freue mich sehr über dieses besondere Projekt von unserem Exzellenzcluster Quantum Universe, dem Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY und dem Museum der Arbeit, mit welchem die Universität Hamburg auch die Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder umsetzen.“

Prof. Dr. Beate Heinemann, DESY-Direktorin für den Forschungsbereich Teilchenphysik: „Das Universum strahlt eine geradezu unglaubliche Faszination aus, die uns Forschende antreibt, ihm seine vielen Geheimnisse zu entlocken. Wo kommen wir her, wo gehen wir hin – diese Forschung hat Einfluss auf unsere Kultur und unser Denken. Mit der Ausstellung „Wie alles begann“ nehmen wir Bürgerinnen und Bürger mit auf eine Reise durchs Universum und lassen sie an unserer Forschung und unserer Faszination fürs Universum teilhaben.“

Dr. Nina Lemmens, Programmvorständin der Joachim Herz Stiftung: „Woraus besteht unser Universum? Hat das Universum einen Anfang und ein Ende? – Diese Fragen stoßen gerade bei Jugendlichen auf großes Interesse. Ich freue mich sehr, dass die Joachim Herz Stiftung mit ihrer Förderung zum Gelingen dieser spannenden Ausstellung beitragen konnte. Entstanden sind so auch Führungen für Schulklassen der Sekundarstufe I oder II und passende digitale Unterrichtsmaterialien, die zur Vor- und Nachbereitung des Ausstellungsbesuches eingesetzt werden können. Die digitalisierten Ausstellungsinhalte können darüber hinaus auch außerhalb von Hamburg oder nach Ausstellungsende im Unterricht genutzt werden. Das alles vermittelt den Jugendlichen anschaulich zentrale Erkenntnisse aus der Teilchenphysik, der Astrophysik und der Kosmologie.“

Wer sich am Schluss seines Ausstellungsrundgangs eine Vorstellung vom Ende des Universums machen will, kann in einer begehbaren Installation zwischen drei möglichen Szenarien, Big Crunch, Big Rip oder Big Freeze, wählen. Zum Auspowern gibt es außerdem die Möglichkeit, eine Runde Protonen-Fußball zu spielen oder die eigene Muskelkraft bei der Trennung von Quarks in Atomkernen zu testen.

Erweitert wird die Ausstellung durch Werke von fünf Hamburger Kunstschaffenden, die Fragen nach der Unendlichkeit des Weltalls, der Erforschung des Urknalls und die damit verbundenen Vorstellungen aus einer künstlerischen Sichtweise erfahrbar machen. Außerdem gibt es ein umfangreiches Begleitprogramm für Kinder und Jugendliche.

Die Ausstellung wurde ursprünglich von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften/Institut für Hochenergiephysik in Wien (HEPHY) und dem Naturhistorischen Museum (NHM) Wien entwickelt, wo sie 2016/17 gezeigt wurde. Im Rahmen des Exzellenzclusters Quantum Universe der Universität Hamburg wurde das Ausstellungskonzept übernommen und in Zusammenarbeit mit DESY um die neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse und Einblicke in die Hamburger Forschung ergänzt.

Förderer der Ausstellung sind die Joachim Herz Stiftung und die Behörde für Wissenschaft, Forschung und Gleichstellung.

Veranstaltungsort:
Museum der Arbeit
Sonderausstellung „Wie alles begann: Von Galaxien, Quarks und Kollisionen“
Wiesendamm 3
22305 Hamburg
(direkt am U-/S-Bahnhof Barmbek)

Weitere Informationen:

Informationen zur Ausstellung (Museumsseite)

„Wissenswelle“: Podcast der Universität Hamburg zur Ausstellung und zum Urknall

Online Guide zur Ausstellung

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Quelle: Universität Bonn 5. August 2022.

5. August 2022 – Die Ergebnisse der Studie sprechen dafür, dass die Zwerggalaxien des zweitnächsten Galaxienhaufens der Erde – des sogenannten Fornax-Haufens – frei von solchen Halos aus Dunkler Materie sind. Die Studie ist in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society erschienen.

Zwerggalaxien sind kleine, schwache Galaxien, die normalerweise in Galaxienhaufen oder in der Nähe größerer Galaxien zu finden sind. Aus diesem Grund können sie von den Gravitationswirkungen ihrer größeren Begleiter beeinflusst werden. „Wir stellen eine innovative Methode zur Überprüfung des Standardmodells vor, die darauf beruht zu untersuchen, wie stark Zwerggalaxien durch die Schwerkraft von nahegelegenen größeren Galaxien gestört werden“, sagt Elena Asencio, Doktorandin an der Universität Bonn und Erstautorin der Studie. Solche Gezeiten entstehen, wenn die Schwerkraft eines Körpers auf verschiedene Teile eines anderen Körpers wirkt. Sie sind vergleichbar mit den Gezeiten auf der Erde – bestimmt durch den Mond, der wie ein Magnet an der ihm zugewandten Seite der Erde zieht.

Der Fornax-Haufen hat viele Zwerggalaxien. Jüngste Beobachtungen zeigen, dass einige dieser Zwerggalaxien verzerrt erscheinen, als wären sie durch die Umgebung des Haufens gestört worden. „Solche Störungen in den Fornax-Zwergen erwartet man nach dem Standardmodell nicht“, sagt Prof. Dr. Pavel Kroupa von der Universität Bonn und der Karls-Universität in Prag. „Das liegt daran, dass nach diesem Modell die Halos aus Dunkler Materie die Zwerge größtenteils vor den Gezeiten des Haufens schützen.“

Das Team analysierte das erwartete Ausmaß der Störung der Fornax-Zwerge, das von ihren inneren Eigenschaften und ihrer Entfernung zum gravitativen Zentrum des Haufens abhängt: Galaxien mit großer Größe, aber geringer stellarer Masse und Galaxien in der Nähe des Haufenzentrums werden leichter gestört oder zerstört. Die Ergebnisse verglichen sie mit dem Störungsgrad, beobachtet aus Bildern des VLT Survey Teleskops der Europäischen Südsternwarte.

Das Ergebnis des Vergleichs: „Um die Beobachtungen mit dem Standardmodell zu erklären, müssten die Fornax-Zwerge bereits durch die Gravitation des Haufenzentrums zerstört werden, selbst wenn die Gezeiten, die auf einen Zwerg wirken, vierundsechzigmal schwächer sind als die Eigengravitation des Zwergs“, sagt Elena Asencio. Das sei nicht nur der Intuition widersprechend, sondern widerspreche auch früheren Studien, die zeigten, dass die externe Kraft, die nötig ist, um eine Zwerggalaxie zu stören, ungefähr so groß ist wie die Eigengravitation des Zwergs.

Widerspruch zum Standardmodell
Daraus schlossen die Autorinnen und Autoren, dass es im Standardmodell nicht möglich ist, die beobachteten Erscheinungsformen der Fornax-Zwerge auf eine in sich widerspruchsfreie Weise zu erklären. Das Team wiederholte die Analyse mithilfe der Milgromschen Dynamik (MOND). Nach dieser Theorie gehorcht die Anziehung zwischen zwei Massen nur bis zu einem bestimmten Punkt den Newton’schen Gesetzen. Bei sehr kleinen Beschleunigungen, wie sie in Galaxien vorherrschen, wird sie dagegen erheblich stärker. Daher reißen Galaxien durch ihre Drehgeschwindigkeit auch nicht auseinander.

„Wir waren uns nicht sicher, ob die Zwerggalaxien in der Lage sein würden, die extreme Umgebung eines Galaxienhaufens in MOND zu überleben, da es in diesem Modell keine schützenden Halos aus Dunkler Materie gibt“, sagt Dr. Indranil Banik von der University of St. Andrews. „Aber unsere Ergebnisse zeigen eine bemerkenswerte Übereinstimmung zwischen den Beobachtungen und den MOND-Erwartungen für das Ausmaß der Störung der Fornax-Zwerge.“

„Es ist aufregend zu sehen, dass die Daten, die wir mit dem Survey Teleskop erhalten haben, einen so gründlichen Test kosmologischer Modelle ermöglichen“, betonen die Koautoren Aku Venhola von der Universität Oulu (Finnland) und Steffen Mieske von der Europäischen Südsternwarte.

Es sei nicht das erste Mal, dass eine Studie, die die Auswirkungen der Dunklen Materie auf die Dynamik und Entwicklung von Galaxien untersucht, zu dem Schluss komme, dass die Beobachtungen besser dadurch erklärt werden können, dass die Galaxien nicht von Dunkler Materie umgeben sind. „Die Anzahl der Veröffentlichungen, die Unvereinbarkeiten zwischen Beobachtungen und dem Paradigma der Dunklen Materie aufzeigen, nimmt jedes Jahr zu“, sagt Pavel Kroupa, Mitglied der Transdisziplinären Forschungsbereiche „Modelling“ und „Matter“ der Universität Bonn. „Es ist an der Zeit, deutlich mehr Ressourcen in andere Theorien zu investieren.“

Dr. Hongsheng Zhao von der University of St. Andrews fügt hinzu: „Unsere Ergebnisse haben große Auswirkungen auf die Grundlagenphysik. Wir erwarten, dass wir mehr gestörte Zwerggalaxien in anderen Haufen finden, eine Vorhersage, die von anderen Teams überprüft werden sollte“.

Beteiligte Institutionen und Förderung
An der Studie waren neben der Universität Bonn die University of Saint Andrews (Schottland), die Europäische Südsternwarte (ESO), die Universität Oulu (Finnland) und die Karls-Universität in Prag (Tschechien) beteiligt. Die Studie wurde gefördert durch die Universität Bonn, den britischen Science and Technology Facilities Council und den Deutschen Akademischen Austauschdienst.

Originalpublikation
Elena Asencio, Indranil Banik, Steffen Mieske, Aku Venhola, Pavel Kroupa & Hongsheng Zhao: The distribution and morphologies of Fornax Cluster dwarf galaxies suggest they lack dark matter. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society; doi.org/10.1093/mnras/stac1765

https://arxiv.org/abs/2208.02265

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• Dunkle Materie

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Quelle: JGU 1. August 2022.

1. August 2022 – Materie, die nicht sichtbar ist, aber dennoch über die Gravitation wechselwirkt? Bei solcher sprechen Physiker von „Dunkler Materie“. Auf der Erde ist sie nicht zu finden, vielmehr wurde sie von Experten postuliert – denn nur mit ihr lassen sich zahlreiche astronomische Beobachtungen erklären, zum Beispiel die Geschwindigkeit, mit der sichtbare Sterne das Zentrum ihrer Galaxie umkreisen. Dabei übersteigt die Masse der Dunklen Materie in den meisten Galaxien die der normalen Materie bei Weitem. Doch gehören sowohl die Natur als auch die Zusammensetzung von Dunkler Materie – und von der ähnlich mysteriösen Dunklen Energie – nach wie vor zu den drängendsten Geheimnissen der modernen Physik. Der August 2022 steht daher gleich dreifach unter dem Zeichen der Dunklen Materie: Drei „Dark Matter“-Veranstaltungen der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) für Studierende sowie etablierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler reihen sich aneinander.

Summer School „Ultralight Dark Matter“
Mit der Summer School „Ultralight Dark Matter – Scientific Foundations and Experimental Searches“ werden Studierende angesprochen. Sie findet vom 31. Juli bis zum 5. August im Physikzentrum in Bad Honnef statt. „In der Sommerschule sollen Neueinsteiger in dem Gebiet, insbesondere Doktoranden und Postdocs, sich mit dem Thema der leichten Dunklen Materie auseinandersetzen können – nicht nur über formelle Vorlesungen, sondern auch bei informellen Gesprächen mit führenden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern“, sagt Dr. Arne Wickenbrock von der JGU, der alle drei Veranstaltungen koordiniert. Das Interesse ist groß: Die Summer School ist mit 87 Teilnehmern ausgebucht, es wurde bereits eine Warteliste gebildet.

„17th Patras Workshop on Axions, WIMPs and WISPs„
Nach der Summer School können die Studierenden in Bad Honnef in einen gecharterten Bus steigen: Er bringt sie zu einer Konferenz, die vom 8. bis zum 12. August an der JGU stattfindet. „Auf dieser Konferenz wird ein Großteil der internationalen Dark-Matter-Community zusammenkommen. Hier treffen die Studierenden auf die Experten – es wird ein großes Wissenschaftsfest“, sagt Wickenbrock. Nachdem die Konferenz in den vergangenen zwei Jahren aufgrund der Pandemie online stattfinden musste, trifft man sich nun das erste Mal wieder vor Ort. 180 registrierte Teilnehmende werden in Mainz zusammenkommen, um über die jüngsten theoretischen Fortschritte und die neuesten experimentellen Resultate zu sprechen sowie neue Ideen zu diskutieren. „Die Teilnahme von jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ist ausdrücklich erwünscht“, sagt Wickenbrock.

„Wavy Dark Matter Detection with Quantum Networks Workshop„
Die dritte Veranstaltung, der „Wavy Dark Matter Detection with Quantum Networks Workshop“, richtet sich an die Experten. Dieser Workshop findet ebenfalls in Mainz statt, und zwar vom 15. bis 19. August am Mainz Institute for Theoretical Physics. Die knapp 40 Teilnehmenden diskutieren über die neusten Trends der Dunkle-Materie-Detektion mit Netzwerken von Quantensensoren.

Weiterführende Links:
https://wavydarkmatter.org/ – Wavy Dark Matter Summer 2022

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