Das Geheimnis der Dunklen Materie könnte in den nächsten 10 Jahren gelöst werden

Hubble findet Ring der Dunklen Materie im Galaxienhaufen

Dieses zusammengesetzte Bild des Hubble-Weltraumteleskops zeigt einen geisterhaften „Ring“ aus dunkler Materie im Galaxienhaufen Cl 0024+17. (Bildnachweis: NASA, ESA, M.J. Jee und H. Ford (Johns Hopkins University))





Aktualisiert um 8:54 Uhr ET .

Dunkle Materie – der mysteriöse Stoff, von dem angenommen wird, dass er den größten Teil der Materie im bekannten Universum ausmacht – könnte sich im nächsten Jahrzehnt offenbaren, prognostiziert ein prominenter Wissenschaftler.

Wenn der Moment kommt, wird dies zu einem 'entscheidenden Paradigmenwechsel in der Physik' führen, sagte Gianfranco Bertone, ein Physiker an der Universität Amsterdam in den Niederlanden, in einem Vortrag über die Erforschung der dunklen Materie auf einer Konferenz der Royal Society Frontiers of Astronomy in London im November.



Die schwer fassbare Substanz könnte sich zeigen, wenn sich Forscher auf den Weg machen, 'die Existenz einiger der vielversprechendsten Kandidaten für dunkle Materie mit einer breiten Palette von Experimenten zu testen, darunter der Large Hadron Collider (LHC) am CERN und eine neue Generation von Astroteilchen-Experimenten im Untergrund'. und im Weltraum«, sagte Bertone. [ Die Jagd nach Dunkler Materie: Bilder und Fotos ]

Das Universum enthält viel mehr Materie, als Wissenschaftler derzeit nachweisen können. Modelle legen nahe, dass diese unsichtbare Materie etwa 85 Prozent des Universums ausmacht, aber niemand ist sich sicher, woraus diese fehlende Materie besteht. Teleskope können es nicht beobachten, weil es absolut kein Licht abgibt.

Der einzige Beweis für die Existenz der Dunklen Materie kommt bisher von den Gravitationseffekten, die sie auf sichtbare Materie ausübt. 'Wir sehen die Auswirkungen auf allen Skalen mit astrophysikalischen und kosmologischen Beobachtungen', sagte Bertone.



Doch trotz vielversprechender Hinweise aus zahlreichen neueren Experimenten geht die Jagd nach der wahren Identität der Dunklen Materie weiter.

Die Schlüsselkandidaten für das Zeug bleiben bisher auf den Bereich der Theorie beschränkt — schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs), von denen angenommen wird, dass sie den Großteil der Dunklen Materie ausmachen, und Axionen, von denen angenommen wird, dass sie viel leichtere und kältere Teilchen sind. Es wird angenommen, dass es viele Axionen gibt und dass sie ständig aus dem Weltraum auf die Erde regnen.

Ein Scheitern, in naher Zukunft Dunkle Materie zu finden, würde bedeuten, dass die Forscher möglicherweise auf dem falschen Weg sind und ihre Herangehensweise an das Problem überdenken müssen, sagte Bertone. [ Verdrehte Physik: 7 überwältigende Erkenntnisse ]



Illustration eines jungen Schwarzen Lochs, wie die beiden entfernten staubfreien Quasare, die kürzlich vom Spitzer-Weltraumteleskop entdeckt wurden. Mehr Fotos von Schwarzen Löchern des Universums

Illustration eines jungen Schwarzen Lochs, wie die beiden entfernten staubfreien Quasare, die kürzlich vom Spitzer-Weltraumteleskop entdeckt wurden. Mehr Fotos von Schwarzen Löchern des Universums (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)

Die Jagd

Wissenschaftler sind hoffnungsvoller denn je auf Erfolg, obwohl einer der vielversprechendsten Detektoren, das Large Underground Xenon Experiment (LUX), während seines ersten 90-Tage-Laufs im Jahr 2013, Teilchen der Dunklen Materie nicht erkennen konnte.

LUX ist ein Flüssig-Xenon-Experiment zum Nachweis der extrem seltenen Kollisionen zwischen WIMPs und normaler Materie auf der Erde. Es ist etwa 1,6 Kilometer tief in einer Mine in der Sanford Underground Research Facility in South Dakota vergraben.

Im Jahr 2014 wird LUX während eines bevorstehenden 300-Tage-Laufs länger als je zuvor nach dunkler Materie suchen.

Neben dem Verstecken von Detektoren unter der Erde gibt es noch andere Möglichkeiten, nach der mysteriösen dunklen Materie zu suchen. Es gibt beispielsweise Direktdetektoren, die sich im Weltraum befinden, wie z Alpha-Magnetspektrometer , das 2011 auf der Internationalen Raumstation ISS installiert wurde. AMS sucht nach dem Strahlungsschauer, den dunkle Materieteilchen bei ihrer Kollision und Vernichtung vermutlich erzeugen. Es wird vermutet, dass diese Strahlung auch Gammastrahlen umfasst.

Ein weiterer weltraumgestützter Detektor ist das Fermi-Teleskop der NASA, das 2008 gestartet wurde. Dieses Instrument scannt das Zentrum der Milchstraße, in der dunkle Materie konzentriert sein soll, auf der Suche nach überschüssigen Gammastrahlen.

Viele Wissenschaftler setzen auf die Large Hadron Collider . Sobald es 2015 wieder in Betrieb ist, wird es wieder Partikel zusammenschlagen, in der Hoffnung, im Labor dunkle Materie zu erzeugen.

Der LHC zielt darauf ab, eine Art von Materie namens supersymmetrische dunkle Materie zu erzeugen. Findet der LHC Teilchen, bei denen es sich um dunkle Materie handeln könnte, würden seine Ergebnisse mit den Daten aus Astroteilchen-Experimenten verglichen.

'Es ist ganz klar, dass es schwierig sein wird, Dunkle Materie mit einer einzigen Art von Experiment zu identifizieren, wenn die theoretische Beschreibung der Dunklen Materie nicht sehr einfach ist, während eine Kombination aus ihnen ausreichende Informationen liefern sollte', sagte Bertone.

Astronomen wissen mehr darüber, was Dunkle Materie nicht ist, als was sie tatsächlich ist. Sehen Sie in dieser guesswhozoo.com-Infografik, was Wissenschaftler über Dunkle Materie wissen.

Astronomen wissen mehr darüber, was Dunkle Materie nicht ist, als was sie tatsächlich ist. Sehen Sie in dieser guesswhozoo.com-Infografik, was Wissenschaftler über Dunkle Materie wissen .(Bildnachweis: Karl Tate, guesswhozoo.com Infographics Artist)

Mangel an Materie

Ein kommentierter Künstler

Eine kommentierte künstlerische Darstellung zeigt die erwartete Verteilung der Dunklen Materie um die Milchstraße. Es ist möglich, dass Sternenlicht, das dunkle Materie durchdringt, gestreut wird und einen „Halo“ aus Licht erzeugt.(Bildnachweis: ESO / L. Calçada)

Obwohl die aktuellen Experimente nach bestimmten Teilchen suchen, aus denen die Wissenschaftler glauben, dass Dunkle Materie bestehen könnte, bleiben viele Forscher offen für die Möglichkeit, dass Dunkle Materie aus etwas ganz anderem bestehen könnte.

Es sei auch möglich, dass ein ganzer Zoo von Partikeln die unsichtbare Materie ausmacht, sagte Bertone. 'Viele Studien befassen sich heute mit der Möglichkeit, dass dunkle Materie nicht aus einer, sondern [von] vielen Teilchenarten besteht.'

Selbst wenn Wissenschaftler also die gesuchten Teilchen nicht finden, bedeutet dies nicht automatisch, dass es keine Dunkle Materie gibt.

„Der einzige Weg, um zu beweisen, dass Dunkle Materie nicht existiert, besteht darin, zu zeigen, dass all diese Daten falsch interpretiert wurden, zum Beispiel weil das Gravitationsgesetz, das wir angenommen haben – Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie – falsch ist“, sagte Bertone. 'Trotz vieler Bemühungen gibt es heute keine zufriedenstellende Gravitationstheorie, die mit allen Beobachtungsdaten in Einklang gebracht werden kann, ohne die Existenz einiger Formen dunkler Materie anzunehmen.'

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt, wie Objekte Raum und Zeit verzerren, um Schwerkraft zu erzeugen.

Aber viele Wissenschaftler glauben, dass die Dunkle Materie am Ende ihr Gesicht zeigen wird, und zwar bald.

'Meiner Ansicht nach sind die unterirdischen Detektoren - LUX, XENON-1ton, LX und andere - die vielversprechendste Klasse von Experimenten mit dunkler Materie in den nächsten zehn Jahren', sagte Dan Hooper, Physiker am Fermilab in Batavia, Illinois.

Die Detektoren „werden einfach immer empfindlicher und schließen bereits viele ansonsten attraktive Kandidaten für dunkle Materie aus. Der LHC und die Gammastrahlen-Teleskope sind auch sehr wichtige Akteure bei der Jagd nach Dunkler Materie“, fügte er hinzu.

Und Hooper sagte, das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop habe möglicherweise bereits mehrmals Hinweise auf WIMPs entdeckt, zuletzt im Jahr 2013. Das Teleskop entdeckte ein seltsames Licht, das nahe dem Zentrum der Milchstraße scheint – möglicherweise Funken von Gamma Strahlen von Teilchen der Dunklen Materie am Ende ihres Lebens.

„Das Signal sieht immer solider aus“, sagte er. „Zu diesem Zeitpunkt würde ich eine Wette abschließen, dass Fermi Vernichtungen der Dunklen Materie sieht.

Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel wurde aktualisiert, um die Aussagen von Gianfranco Bertone bezüglich der Gewissheit, dunkle Materie zu finden, zu korrigieren.

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