Dunkle Materie muss es geben – jene unsichtbare Materie, die auch unsere Galaxie vor dem Auseinanderfliegen bewahrt. Bis zu 85 Prozent aller Materie in unserem Universum sollte daraus bestehen. Aber wo ist sie? Und was ist sie? Als guter Kandidat galten und gelten hypothetische Teilchen namens WIMP (weakly interacting massive particles). Stimmt das, wäre unsere ganze Galaxie in einen Nebel aus jenen zwar massereichen, aber extrem flüchtigen Teilchen regelrecht eingebettet. Auch durch die Erde würden in jedem Moment Billionen von WIMPs fliegen.

Zwar gelten die WIMPs als guter Kandidat für die so dringend gesuchten Materieteilchen – aber ihr Nachweis auf der Erde gestaltet sich als schwierig. Oder doch nicht? Es gibt da zumindest ein Experiment in einem italienischen Labor, rund 1400 Meter unter der Erde, das behauptet: Wir haben die WIMPs gefunden! Und das schon seit über 25 Jahren!

Franzi erzählt die Geschichte des Dramas um das DAMA-Experiment: eine Geschichte vom Suchen und, nun ja, Nicht-Finden der Dunklen Materie – eine Erfolgsgeschichte der wissenschaftlichen Methode oder doch eher ein Trauerspiel?

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban alle regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

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Inzwischen hat man sich fast an den Gedanken gewöhnt, dass unser Universum voll Dunkler Materie ist. Die können wir zwar nicht sehen, aber sie sorgt dafür, dass unsere Galaxienhaufen und auch unsere eigene Galaxie nicht auseinanderfliegen. Tatsächlich ist die Dunkle Materie für uns überlebenswichtig. Da verzeiht man ihr es gerne, dass sie wohl 84 Prozent aller Materie im Universum ausmacht.

Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fieberhaft nach der Dunklen Materie – was gar so einfach ist, wenn man bedenkt, dass niemand sie sehen kann und sie auch nicht mit sichtbarer Materie wechselwirkt, aus der wir und alles um uns herum besteht. Aber, da sind Forschende fast sicher: Es muss sie einfach geben, die Dunkle Materie.

Aber warum muss es Dunkle Materie in unserem Universum geben? In dieser Folge von AstroGeo erzählt Franzi den Anfang einer Geschichte: die der Entdeckung der Dunklen Materie. Sie fängt mit dem Coma-Galaxienhaufen an, dessen Galaxien zu schnell unterwegs sind, hin zu Galaxien, die zu schnell rotieren und eigentlich auseinanderfliegen sollten. Doch schließlich war es die Kosmologie und der Wunsch nach einem ganz bestimmten Universum, welche der Dunklen Materie zu ihrem Durchbruch auf der wissenschaftlichen „Most-Wanted“-Liste verhalfen.

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 23. Januar 2023.

23. Januar 2023 – 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, zu dem Gilly Elor, Postdoktorandin am Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg Universität-Mainz sowie Robert McGehee und Aaron Pierce von der University of Michigan in Ann Arbor (USA) gehören, 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. Das HYPER Dark Matter Modell und den darin erstmals enthaltenen Phasenübergang stellen die Forschenden nun in der aktuellen Ausgabe des renommierten Journals Physical Review Letters vor.

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!“

Veröffentlichung:
Gilly Elor, Robert McGehee, Aaron Pierce, Maximizing Direct Detection with Highly Interactive Particle Relic Dark Matter, Phys. Rev. Lett. 130, 031803, 20. Januar 2023
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.031803
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.031803

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Quelle: Ruhr-Universität Bochum (RUB) 13. September 2022.

13. September 2022 – Ein internationales Forschungsteam hat ein Computerprogramm entwickelt, mit dem sich der Transport kosmischer Strahlung durch das All simulieren lässt. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hoffen, so das Rätsel um die Quellen der kosmischen Strahlung lösen zu können. Bislang ist unbekannt, welche Himmelsobjekte die hochenergetische Strahlung aussenden, die aus dem All auf die Erde prasselt. Um experimentelle Daten erklären zu können, braucht es theoretische Modelle; die neue Computersimulation kann diese liefern. Ein Team um Forschende der Ruhr-Universität Bochum (RUB) beschreibt die Software in der Zeitschrift Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, online veröffentlicht am 12.September 2022.

Wie ein gleichmäßig ausgeleuchteter Himmel am Tag
Seit ihrer Entdeckung von 100 Jahren versuchen Forschende zu entschlüsseln, woher die kosmische Strahlung kommt. Das Problem: Von der Erde aus betrachtet sieht sie so aus wie der Himmel bei Tag mit bloßem Auge: Er ist fast überall, wo man hinschaut, gleich hell erleuchtet. Denn das Licht der Sonne wird in der Erdatmosphäre gestreut und verteilt sich gleichmäßig über den gesamten Himmel. Auch die kosmische Strahlung wird auf ihrem Weg zur Erde gestreut – durch Wechselwirkungen mit kosmischen Magnetfeldern. Von der Erde aus ist nur ein gleichmäßig ausgeleuchtetes Bild zu sehen; der Ursprung der Strahlung bleibt verborgen.

Teilchenbahnen von Anfang bis Ende simuliert
„Mit unserem Programm CRPropa ist es möglich, die Bahnen der Teilchen von ihrer Entstehung bis zu ihrer Ankunft auf der Erde nachzuverfolgen – und zwar für alle Energien, die wir von der Erde aus beobachten können“, sagt Julien Dörner, Doktorand an der RUB. „Auch die Wechselwirkung der Teilchen mit Materie und Photonfeldern im Universum können wir vollständig berücksichtigen.“

Dabei kann das Programm nicht nur kosmische Strahlung simulieren, sondern auch Neutrinoteilchen oder Gammastrahlung, die in Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung entstehen. „Diese Botenteilchen sind – anders als die kosmische Strahlung – direkt von ihren Quellen beobachtbar, sie kommen also auf direktem Weg zur Erde“, erklärt Dr. Patrick Reichherzer, Postdoktorand an der RUB. „Mit der Software können wir solche Strahlung von Neutrinos und Gammastrahlung auch aus fremden Galaxien wie Starbursts oder aktiven Galaxien vorhersagen.“

Das vorgestellte Simulationsprogramm ist die umfassendste derzeit existierende Simulationssoftware und ermöglicht neue Forschungswege. „Wir können neue Energiebereiche in der Simulation erschließen, die mit bisherigen Programmen nicht vollständig erfasst werden konnten“, sagt Prof. Dr. Karl-Heinz Kampert von der Bergischen Universität Wuppertal. „Insbesondere der Übergang von der kosmischen Strahlung aus unserer eigenen Galaxie zu einem Anteil, der aus fremden Galaxien kommt, kann theoretisch beschrieben und mit Beobachtungen verglichen werden.“

Experimentelle Daten sind nur mit theoretischer Hilfe interpretierbar
Das Simulationsprogramm ist in einer internationalen Zusammenarbeit von 17 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern entstanden, die in Deutschland, Spanien, den Niederlanden, Italien, Kroatien, England und Österreich forschen. Die RUB ist mit acht Forschenden federführend am Projekt beteiligt. Die Arbeiten sind im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1491 „Das Wechselspiel der kosmischen Materie“ entstanden, gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft. SFB-Sprecherin Prof. Dr. Julia Tjus von der RUB betont: „Die Veröffentlichung ist ein großer Schritt, um den Transport und die Wechselwirkung der kosmischen Strahlung quantitativ in drei Dimensionen zu beschreiben. CRPropa wird signifikant dazu beitragen zu verstehen, woher die kosmische Strahlung kommt. Denn wir benötigen theoretische Berechnungen, die uns helfen, die Vielfalt an Daten, die wir aus dem Kosmos haben, zu interpretieren.“

Förderung
Die Arbeiten wurden gefördert von der „la Caixa“ Foundation (ID 100010434), dem Horizon-2020-Programm der EU (Förderkennzeichen 847648 und 646623), der Radboud Excellence Initiative, dem Österreichischen Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (Grantnummer I 4144-N27), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Sonderforschungsbereich 1491, Projekte TJ 62/8-1 und KA710/5-1 sowie Exzellenzcluster 2121 Quantum Universe – 390833306), der Russian Science Foundation (Grantnummer 22-11-00063), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (Förderkennzeichen 05A20PX1 und 05A20GU2) sowie dem Deutschen Akademischen Austauschdienst und der RUB Research School.

Originalveröffentlichung
Rafael Alves Batista, Julia Becker Tjus et al.: CRPropa 3.2 – an advanced framework for high-energy particle propagation in extragalactic and galactic spaces, in: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2022, DOI: 10.1088/1475-7516/2022/09/035, https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2022/09/035
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2022/09/035/pdf

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