Dunkle Materie Teilchen: Gibt es eine Obergrenze für ihre Masse?

Bereits 1933 vom Schweizer Astronomen Fritz Zwicky postuliert, versuchen Wissenschaftler:innen nun schon fast ein Jahrhundert lang herauszufinden woraus diese mysteriöse „dunkle Materie“ besteht, doch sicher weiß man bis heute im Grunde nur, dass sie existiert, und, dass sie gravitativ wechselwirkt (denn sonst wüssten wir nicht einmal, dass sie existiert).

Woraus könnte dunkle Materie bestehen?

So lange, wie man danach sucht, gibt es mittlerweile natürlich auch eine ganze Menge an Theorien darüber, woraus dunkle Materie vielleicht bestehen könnte, doch wirklich voran gekommen ist man dabei bisher noch nicht. Hier ein paar der verbreitetsten Theorien:

• WIMPs:
  Auch als CDM (Cold Dark Matter / Kalte dunkle Materie) bezeichnet, handelt es sich bei den postulierten WIMPSs (Weakly Interactive Massive Particles) um noch nicht nachgewiesene Elementarteilchen, welche nur der Gravitation sowie der schwachen Wechselwirkung unterliegen. Seit 2010 gilt diese Hypothese jedoch als eher unwahrscheinlich, da man feststellte, dass die Leuchtkraft und Verteilung von Satellitengalaxien der Lokalen Gruppe nicht den Erwartungen der CDM Theorie entsprechen.
• Heiße dunkle Materie:
  Als sozusagen „Gegenpart“ zur CDM gibt es auch eine HDM (Hot Dark Matter) Theorie, demnach bestünde die dunkle Materie aus schnellen (und damit heißen), leichten Teilchen. Hier galten lange Zeit die Neutrinos als besonders vielversprechender Kandidat, doch neusten Erkenntnissen zu Folge sind diese einfach nicht schwer genug, um für die gesamte dunkle Materie verantwortlich zu sein. Nichtsdestotrotz wäre es immer noch möglich, dass es verschiedene Arten von dunkler Materie gibt, welche zusammengenommen für die Effekte verantwortlich sind, aus denen wir auf die dunkle Materie schließen.
• MACHOs:
  Astronomen waren hier wie üblich mal wieder sehr kreativ bei der Benennung dieser Teilchen. „MACHOs“ steht für „Massive astrophysical compact halo objects“, also schwere, dunkle Objekte wie zum Beispiel braune Zwerge. Man geht mittlerweile jedoch davon aus, dass diese nur für einen kleinen Teil der dunklen Materie verantwortlich sein können.
• Kalte Gas- und Staubwolken:
  Im Gegensatz zu heißem Gas emittiert kaltes Gas keine Strahlung und wäre so kaum zu erkennen, allerdings könnten sich solche Gaswolken auch erhitzen wenn sie z.B. einem Stern zu nahe kommen, wodurch sie wiederum sichtbar würden. Das gleiche gilt mehr oder weniger für kalte Staubwolken, sie wären grundsätzlich, da sie keine Strahlung emittieren, nicht direkt zu sehen, jedoch müssten sie sich, wie die Gaswolken, auch gelegentlich erwärmen bzw das Licht von Sternen reflektieren und damit, zumindest im Infrarotbereich, sichtbar werden.
• Schwarze Löcher:
  Eine weitere Theorie dreht sich um schwarze Löcher, und zwar die sogenannten primordialen schwarzen Löcher. Dabei handelt es sich um sehr kleine schwarze Löcher, welche bereits in den ersten Sekunden nach dem Urknall entstanden sein könnten. Schon in den 70er Jahren vermutete Stephen Hawking einen Zusammenhang zwischen primordialen schwarzen Löchern und der dunklen Materie. Wir haben bis Heute nicht verstanden, wie sich die ersten Supermassiven schwarzen Löcher so schnell bilden konnten, und viele primordiale schwarze Löcher, die miteinander verschmolzen sind, könnten das möglicherweise erklären.

Wie man sieht gibt es einige doch sehr unterschiedliche Theorien über die dunkle Materie, die zudem noch alle zutreffen könnten, es müsste also nicht nur eine einzelne dunkle Materie geben, was die Suche danach natürlich auch nicht einfacher macht.

Dunkle Materie Teilchen dürfen nicht zu schwer sein

Nun hat man jedoch erkannt, dass es möglicherweise zumindest eine Grenze gibt, was die Masse der Teilchen betrifft, aus der dunkle Materie bestehen könnte. Bisher hat man sich bei der Suche auf Teilchen konzentriert, die eine Masse von etwa 10 bis 1.000 GeV (Gigaelektronenvolt) haben, einfach weil dieser Bereich am plausibelsten erschien, doch da man hier immer noch nichts finden konnte, überlegt man mittlerweile, ob dunkle Materie Teilchen nicht doch leichter oder schwerer sein könnten.

Und genau hier besagt eine neue Studie, dass es zumindest nach oben eine Grenze geben muss, da sich solche Teilchen sonst nicht mehr mit dem Standardmodell der Teilchenphysik vereinbaren lassen würden. Dunkle Materie interagiert nämlich, wenn auch sehr selten, durchaus mit normaler Materie, vor allem im frühen Universum, welches noch viel heißer und dichter war, passierte das aber deutlich häufiger.

Man geht davon aus, dass viele der Kandidaten für die dunkle Materie über ein Austauschteilchen, das berühmte Higgs-Boson, mit normaler Materie interagiert. Die Masse dieses Higgs Bosons kennt man jedoch, sie beträgt etwa 125 GeV, was laut dieser Studie auch eine fundamentale Obergrenze für die Masse der potentiellen dunkle Materie Teilchen darstellt.

Das Problem ist, dass die Masse des Higgs Bosons schwankt, und zwar abhängig von der Masse der Teilchen, welche darüber interagieren. Entsprechend große dunkle Materie Teilchen würden also auch die Masse des Higgs Bosons stärker beeinflussen, wodurch diese aber nicht mehr dem beobachteten (und zuvor bereits auch errechneten) Wert entsprechen würde. Das Higgs Boson ist jedoch derart bedeutend für die Bestimmung vieler anderer fundamentaler physikalischer Eigenschaften, dass dies im Wesentlichen die Teilcheninteraktionen zum Erliegen bringen würde.

Also kann dunkle Materie nicht viel schwerer als 125 GeV sein?

So einfach ist es leider auch nicht, denn es wäre, auch wenn es als eher unwahrscheinlich gilt, durchaus möglich, dass dunkle Materie gar nicht mit normaler Materie wechselwirkt, dann hätte sich das Problem des Higgs Bosons als Austauschteilchen erledigt. Es würde aber auch bedeuten, dass man sich weniger auf schwere dunkle Materie konzentrieren, sondern stattdessen den Fokus auf die leichteren unter den Kandidaten setzen sollte. Hier gäbe es mit dem sogenannten „Axion“ auch schon einen „heißen Kandidaten“, der in letzter Zeit immer mehr Interesse erfährt. Dabei handelt es sich um ultraleichte Teilchen, die in einigen Modellen der Teilchenphysik vorhergesagt werden und die möglicherweise ein realistischer Kandidat für die dunkle Materie sind.

Was sind Axionen?

Das Axion ist ein (bisher) hypothetisches Elementarteilchen, es hat keine elektrische Ladung und einen Spin von Null. Einfach gesagt wäre das Axion die Lösung für ein Problem in der Quantenchromodynamik, also ein Teilchen, das man „sich ausgedacht“ hat, weil andere Berechnungen sonst keinen Sinn ergeben würden. Auf diese Weise wurden allerdings auch schon andere Teilchen postuliert, welche dann später tatsächlich nachgewiesen wurden, es ist also durchaus mehr als eine bloße „Erfindung“.

Im Gegensatz zu den meisten Kandidaten für dunkle Materie wären Axionen jedoch extrem leichte Teilchen, ihre Masse wurde auf etwa 50 bis 1500 Mikroelektronenvolt berechnet, was wirklich extrem leicht wäre, bis zu 10 Milliarden mal leichter als ein Elektron. Zum Vergleich, man suchte bisher in einem Bereich von 10 bis 1000 GeV nach der dunklen Materie, selbst die Untergrenze davon wäre noch fast eine Milliarde mal schwerer als die Obergrenze der für Axionen berechneten Masse.

Der einzige andere Kandidat mit einer ähnlich geringen Masse wäre das Neutrino (von dem man bisher nur weiß, dass es eine Masse über Null und von höchstens ca 800 Mikroelektronenvolt hat), diese gelten aber mittlerweile tatsächlich als zu leicht um für die dunkle Materie verantwortlich zu sein, für Axionen müsste dies entsprechend natürlich auch gelten – oder es gibt einfach sehr viel mehr davon.

Fazit

Sollten sich die Ergebnisse dieser Studie (sie ist noch nicht peer-reviewed, von daher ist diesbezüglich noch alles offen) bestätigen und es gibt tatsächlich ein solche Obergrenze, so könnte man sich bei der Suche nach der dunklen Materie auf die leichteren Kandidaten fokussieren anstatt seine Kapazitäten auf, in diesem Fall dann nur noch sehr unwahrscheinliche, schwere Teilchen zu „verschwenden“.

Auch wenn es sich dabei „nur“ um eine Einschränkung des Suchbereichs handeln würde, könnte es die Suche nach der dunklen Materie durchaus erheblich verkürzen, vorausgesetzt wir finden sie überhaupt irgendwann, aber da wäre ich durchaus optimistisch, selbst wenn es, unter Umständen, natürlich ggf noch einmal fast 100 Jahre dauern könnte.