Nicht Partikel, sondern Brocken: Dunkle Materie wird Fremder

Dunkle Materie besteht vielleicht nicht aus winzigen Teilchen, wie die meisten Wissenschaftler glauben, sondern stattdessen aus großen Brocken seltsamer Materie, die von der Größe eines Apfels bis zu einem Asteroiden reichen.

Die unsichtbare Substanz, die man Dunkle Materie nennt, ist derzeit eines der größten Mysterien der Wissenschaft und soll fünf Sechstel aller Materie im Universum ausmachen. Doch niemand weiß, wie dunkle Materie aussieht.

In einer neuen Studie umrissen Forscher ihre Idee, dass dunkle Materie aus Teilchen besteht, die sie "Makros" nannten. Die Wissenschaftler theoretisierten, dass, wenn diese Teilchen so dicht wie Atomkerne wären, sie nicht kleiner als 0.12 Pfund (55 Gramm) sein könnten. Wenn sie es wären, hätten existierende Teilchendetektoren sie bereits gesehen. Gleichzeitig könnten Makros nicht größer als 2,2 Billionen Pfund (1 Billiarde Kilogramm) sein, weil dann ihr Gravitationsfeld stark genug wäre, um Sternenlicht zu verzerren, ein Phänomen, das auch Astronomen nicht gesehen haben.

Wie diese Teilchen im frühen Universum entstanden sein könnten, sagten die Forscher. Damals war der Kosmos immer noch außerordentlich heiß und erreichte Temperaturen von mehr als 6,3 Billionen Grad Celsius, vergleichbar mit der Temperatur im Zentrum einer gewaltigen Supernova. Unter diesen Bedingungen könnten Makros aus Teilchen zusammengesetzt sein, die Quarks genannt werden, den mehr basischen Teilchen, aus denen Protonen und Neutronen bestehen.

Es gibt sechs Arten von Quarks - oben, unten, oben, unten, Charme und seltsam. Protonen und Neutronen bestehen jeweils aus Aufwärts- und Abwärts-Quarks - Protonen bestehen aus zwei Aufwärts-Quarks und einem Abwärts-Quark, während Neutronen aus zwei Abwärts-Quarks und einem Aufwärts-Quark bestehen. Die Forscher sagten, dass sowohl diese gewöhnlichen Quarks als auch seltsame Quarks sich zu Dunkle-Materie-Makros vereinigen könnten.

Seltsame Quarks haben normalerweise extrem kurze Leben und bis jetzt haben Wissenschaftler sie nur innerhalb von Teilchenbeschleunigern gesehen. Neutronen sind jedoch auch selbst sehr instabil, sind aber stabil, wenn sie mit Protonen in Atomen verbunden sind, sagte Glenn Starkman, Co-Autor des neuen Berichts und theoretischer Physiker an der Case Western Reserve University in Cleveland. Es könnte also sein, dass seltsame Quarks, die kurz nach der Geburt des Universums erschaffen wurden, an andere Teilchen gebunden wurden, um stabile seltsame Materie zu produzieren. Und dies könnte dunkle Materie darstellen.

Makros, die gemacht wurden, als das Universum begann, wären jetzt kalt und dunkel, sagten die Forscher. [Die 9 größten ungelösten Rätsel in der Physik]

Diese neue Idee kommt zu einer Zeit, in der Forscher wieder die Möglichkeit in Betracht ziehen, dass dunkle Materie aus Partikeln besteht, die Wissenschaftler bereits geschaffen und entdeckt haben, im Gegensatz zu einem exotischen neuen Partikel.

Der Konsens unter den Wissenschaftlern ist, dass Teilchen der Dunklen Materie, wenn überhaupt, nur sehr schwach mit den bekannten Kräften im Universum interagieren. Als solche wird die dunkle Materie als unsichtbar und fast vollständig unfassbar angesehen, meist nur durch die Gravitationskraft, die sie ausübt.

Vor einigen Jahrzehnten haben Wissenschaftler zwei Möglichkeiten für exotische Dunkle Materie vorgeschlagen. Die eine bestand darin, dass die dunkle Materie aus Axionen bestand, von denen angenommen wurde, dass sie schwach wechselwirkende, massearme Teilchen sind. Die andere bestand darin, dass dunkle Materie aus viel größeren Teilchen besteht, die WIMPS oder schwach wechselwirkende massive Teilchen genannt werden.

In den letzten drei Jahrzehnten haben Physiker jedoch keine Beweise für einen der beiden Vorschläge gefunden.

Die Wissenschaftler waren vor allem von WIMPS fasziniert, weil die Existenz solcher Teilchen eine Idee bestätigen könnte, die als Supersymmetrie-Theorie bekannt ist, was wiederum dazu beitragen könnte, zu einer "Theorie von allem" zu führen, die alle bekannten Kräfte des Universums erklären kann.

Aber während diese Vorschläge angeschaut wurden, wurde die Vorstellung, dass dunkle Materie irgendwo zwischen gewöhnlichen und exotischen Dingen liegt, "nicht völlig vernachlässigt", sagte Starkman. "Aber es wurde hauptsächlich in die Backwaters des Feldes verbannt, weil die Leute so hoffnungsvoll waren über die Supersymmetrie und die Aussichten, dass sie einen WIMP Kandidaten für die Dunkle Materie gibt."

Jetzt untersuchen Forscher Ideen über dunkle Materie, die keine neue Physik benötigen, um die Existenz der mysteriösen Substanz zu erklären. Makros sind eine solche Idee. Die Ideen passen in das Standardmodell der Teilchenphysik, das die beste Beschreibung der subatomaren Welt ist.

"Es gibt ein großes, weites Fenster, in dem dunkle Materie aus dem Standardmodell hervorgehen kann", sagte Starkman.

Die Studie zu Makros schloss auch bestimmte große Massen für die Objekte aus. Die Wissenschaftler berechneten, dass Makros zwischen 220 Billionen und 220 Billiarden Pfund (100 Billionen und 100 Billiarden Kilogramm) nicht wiegen können. Wenn sie diese Größe hätten, hätten die Gravitationsfelder von Macros Gammastrahlen von Gammastrahlenausbrüchen, den stärksten Explosionen im Universum, in einer Art und Weise verzerrt, die man nicht gesehen hat.

Wenn Makros eine extrem hohe Masse haben, würden sie darüber hinaus nur einmal in einer Milliarde Jahren die Erde treffen und erklären, warum Wissenschaftler die Objekte noch nicht entdeckt haben. Wenn Makros eine relativ geringe Masse haben, obwohl sie die Erde häufiger treffen könnten, könnten sie keine erkennbaren Beweise hinterlassen, sagten die Forscher.

Es bleibt ungewiss, wie Forscher Makros aufspüren könnten, wenn diese Objekte existieren. Eine Möglichkeit besteht darin, nach Verzerrungen in Sternenlicht und Gammastrahlen zu suchen, die Makros mit hoher Masse verursachen könnten. Ein anderer ist, nach Spuren zu suchen, die relativ massearme Makros im Felsen hinterlassen könnten, sagte Starkman.

Starkman und Co-Autoren David Jacobs und Bryan Lynn haben ihre Ergebnisse der Zeitschrift Monthly Notices der Royal Astronomical Society vorgelegt.

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