Neue einfache Theorie könnte die rätselhafte Dunkle Materie erklären

Der verschmelzende Galaxienhaufen Abell 520 scheint eine große Menge Dunkler Materie hinterlassen zu haben. (NASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee (University of California, Davis), and A. Mahdavi (San Francisco State University))
Der verschmelzende Galaxienhaufen Abell 520 scheint eine große Menge Dunkler Materie hinterlassen zu haben. (NASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee (University of California, Davis), and A. Mahdavi (San Francisco State University))

Ein Großteil der Materie im Universum könnte aus Teilchen bestehen, die ein ungewöhnliches, donutförmiges elektromagnetisches Feld besitzen, welches als Anapol bezeichnet wird. Diese Vermutung, laut der die Dunkle-Materie-Teilchen mit einer seltenen Form von Elektromagnetismus ausgestattet sind, wurde durch eine detaillierte Analyse zweier theoretischer Physiker der Vanderbilt University bekräftigt. (Anm. d. Red.: Der Begriff “Anapol” wird im deutschsprachigen Raum kaum benutzt, siehe engl.: Toroidal Moment.)

Professor Robert Scherrer und der Postdoktorand Chiu Man Ho veröffentlichten letzten Monat einen Artikel über die Forschungsarbeit online im Journal Physics Letters B. “Es gibt eine große Anzahl verschiedener Theorien über die Natur der Dunklen Materie. Was ich an dieser Theorie mag, sind ihre Einfachheit, ihre Einzigartigkeit und die Tatsache, dass sie überprüft werden kann”, sagte Scherrer.

Schwer nachweisbare Teilchen

In dem Artikel mit dem Titel “Anapol Dark Matter” vermuten die Physiker, dass Dunkle Materie – eine unsichtbare Form von Materie, die etwa 85 Prozent der gesamten Materie im Universum ausmacht – aus einem Elementarteilchen-Typ bestehen könnte, der als Majorana-Fermion bezeichnet wird. Die Existenz des Teilchens wurde in den 1930er Jahren vorhergesagt, hat aber hartnäckig ihrem Nachweis widerstanden.

Einige Physiker haben vorgeschlagen, dass Dunkle Materie aus Majorana-Teilchen besteht, aber Scherrer und Ho haben detaillierte Berechnungen durchgeführt, die demonstrieren, dass diese Teilchen in einmaliger Weise dafür ausgestattet sind, einen seltenen, donutförmigen Typ von elektromagnetischen Feldern zu besitzen: einen sogenannten Anapol. Dieses Feld gibt den Teilchen Eigenschaften, die sich von den Eigenschaften jener Teilchen unterscheiden, die das häufiger vorkommende Feld mit zwei Polen (Nord- und Südpol, positiv und negativ) besitzen, und könnte erklären, warum sie so schwer nachzuweisen sind.

Gewöhnlicher Elektromagnetismus, keine exotischen Kräfte

“Die meisten Modelle für Dunkle Materie setzen voraus, dass sie durch exotische Kräfte interagiert, denen wir im alltäglichen Leben nicht begegnen. Anapolige Dunkle Materie macht Gebrauch von gewöhnlichem Elektromagnetismus, den man in der Schule gelernt hat: Es ist dieselbe Kraft, die Magnete am Kühlschrank haften lässt oder einen Ballon an den Haarspitzen kleben lässt, nachdem man ihn an den Haaren gerieben hat”, sagte Scherrer. “Das Modell macht zudem sehr spezifische Vorhersagen über die Rate, mit der sich die Teilchen in den Detektoren für Dunkle Materie zeigen sollten, die rund um den Globus unter der Erdoberfläche verborgen sind. Die Vorhersagen zeigen, dass die Existenz von anapoliger Dunkler Materie durch diese Experimente bald nachgewiesen oder ausgeschlossen werden sollte.”

Fermionen sind Teilchen wie das Elektron und Quarks, die Bausteine der Materie. Ihre Existenz wurde 1928 von Paul Dirac vorhergesagt. Zehn Jahre später, kurz bevor er auf rätselhafte Weise auf See verschwand, erarbeitete der italienische Physiker Ettore Majorana eine Variation von Diracs Formulierung, die die Existenz eines elektrisch neutralen Fermions voraussagt. Seitdem suchen Physiker nach Majorana-Fermionen. Der Hauptkandidat war das Neutrino, aber Wissenschaftler waren nicht in der Lage, die grundlegende Natur dieses schwer nachweisbaren Teilchens zu bestimmen.

Unsichtbar für Teleskope

Die Existenz von Dunkler Materie wurde auch erstmals in den 1930er Jahren propagiert, um Abweichungen bei der Rotationsrate von Galaxienhaufen zu erklären. Nachfolgend haben Astronomen entdeckt, dass die Geschwindigkeit, mit der Sterne um einzelne Galaxien rotieren, auf ähnliche Weise abweicht. Detaillierte Beobachtungen haben gezeigt, dass sich Sterne, die weit von den Galaxienzentren entfernt sind, mit viel höheren Geschwindigkeiten bewegen, als durch die Menge der sichtbaren Materie in den Galaxien erklärt werden kann. Die Vermutung, dass sie eine große Menge unsichtbarer “dunkler” Materie enthalten, ist die gängigste Möglichkeit zur Erklärung dieser Abweichungen.

Ein Anapolfeld (oben) im Vergleich zu elektrischen (Mitte) und magnetischen (unten) Dipolfeldern (Michael Smeltzer / Vanderbilt)
Ein Anapolfeld (oben) im Vergleich zu elektrischen (Mitte) und magnetischen (unten) Dipolfeldern (Michael Smeltzer / Vanderbilt)

Wissenschaftler vermuten, dass Dunkle Materie nicht mit Teleskopen beobachtet werden kann, weil sie nicht sehr stark mit Licht und anderer elektromagnetischer Strahlung interagiert. Tatsächlich haben astronomische Beobachtungen die Möglichkeit grundsätzlich ausgeschlossen, dass Teilchen aus Dunkler Materie elektrische Ladungen tragen können.

Trotzdem haben mehrere Physiker vor kurzem Dunkle-Materie-Teilchen untersucht, die keine elektrischen Ladungen tragen, aber elektrische oder magnetische Dipole besitzen. Das einzige Problem ist, dass sogar diese komplexeren Modelle für Majorana-Teilchen ausgeschlossen sind. Das ist einer der Gründe dafür, dass Ho und Scherrer einen genaueren Blick auf Dunkle Materie mit einem anapoligen magnetischen Moment warfen. “Obwohl Majorana-Fermionen elektrisch neutral sind, werden sie von fundamentalen Symmetrien der Natur daran gehindert, irgendwelche elektromagnetischen Eigenschaften außer den Anapolen anzunehmen”, sagte Ho.

Die Existenz eines magnetischen Anapols wurde 1958 von dem sowjetischen Physiker Yakov Zel’dovich vorausgesagt. Seitdem wurden Anapole in der magnetischen Struktur der Atomkerne von Cäsium-133 und Ytterbium-173 beobachtet. Teilchen mit vertrauten elektrischen und magnetischen Dipolen interagieren mit elektromagnetischen Feldern sogar, wenn sie ortsgebunden sind. Teilchen mit anapoligen Feldern tun das nicht. Sie müssen sich bewegen, bevor sie interagieren können und je schneller sie sich bewegen, desto stärker ist die Wechselwirkung. Infolgedessen wären anapolige Teilchen während der Frühzeit des Universums viel wechselwirkender gewesen und weniger beeinflussend, als sich das Universum ausdehnte und abkühlte.
Die von Ho und Scherrer vorgeschlagenen anapoligen Dunkle-Materie-Teilchen hätten sich im frühen Universum gegenseitig ausgelöscht, genau wie es bei anderen propagierten Dunkle-Materie-Teilchen der Fall ist. Die bei diesem Prozess übrig gebliebenen Teilchen würden die Dunkle Materie bilden, die wir heute bemerken. Aber weil sich Dunkle Materie heute so viel langsamer bewegt und weil die Wechselwirkung der Anapole von ihrer Geschwindigkeit abhängt, könnten diese Teilchen bislang der Entdeckung entkommen sein – aber nur knapp.

Die Forschungsarbeit wurde teilweise durch den Zuschuss Nummer DE-FG05-85ER40226 des Department of Energy finanziert.

Quelle: http://news.vanderbilt.edu/2013/06/dark-matter/

(THK)

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1 Kommentar

  1. DUNKLES UNIVERSUM

    Am Anfang war der Urknall,
    Um uns herum der Nachhall.
    Das Weltall in Expansion
    Milliarden Jahre nun schon.

    Es sind dabei die Galaxien
    Einander rasant zu entflie’n.
    Da ist keine Wende in Sicht,
    Irgendwann geht aus das Licht.

    Dunkle Materie ist rätselhaft,
    Dunkle Energie nicht minder.
    Das Wissen ist noch lückenhaft,
    Man kommt nicht recht dahinter.

    Es braucht wohl wieder ein Genie,
    Gar eine neue Theorie.
    Den Kosmos ganz zu versteh’n,
    Wird noch etwas Zeit vergeh’n.

    Rainer Kirmse , Altenburg

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