Neue Forschungsergebnisse legen nahe, dass Dunkle Materie nicht zu schwer sein darf, sonst könnte sie unser bestes Modell des Universums zerstören.
Wir haben eine Fülle von Beweisen dafür, dass im Universum etwas Verdächtiges passiert. Sterne kreisen viel zu schnell innerhalb von Galaxien. Galaxien bewegen sich innerhalb von Galaxienhaufen viel zu schnell. Strukturen wachsen und entwickeln sich zu schnell. Wenn wir nur die Materie zählen, die wir sehen können, reicht die Schwerkraft einfach nicht aus, um all diese Verhaltensweisen zu erklären.
Die überwiegende Mehrheit der Kosmologen glaubt, dass all diese Phänomene durch das Vorhandensein dunkler Materie erklärt werden können, einer hypothetischen Form von Materie, die massiv und elektrisch neutral ist und kaum oder nie mit normaler Materie interagiert. Diese dunkle Materie macht den größten Teil der Masse im Universum aus und übersteigt die Menge an leuchtender Materie bei weitem.
Die Identität der Dunklen Materie bleibt ein Rätsel, da Experimente zur Entdeckung einer verirrten, seltenen Kollision nichts ergeben haben. Diese Experimente konzentrierten sich jedoch auf einen bestimmten Massenbereich: etwa 10 bis 1.000 Gigaelektronenvolt (GeV). (Ein GeV entspricht 1 Milliarde Elektronenvolt.) Das liegt im Bereich der schwersten bekannten Teilchen, wie dem W-Boson und dem Top-Quark. Jahrzehntelang bevorzugten Theoretiker diesen Massenbereich, weil mehrere einfache Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik die Existenz solcher Teilchen vorhersagten.
Da wir jedoch noch nichts gefunden haben, fragen wir uns, ob dunkle Materie leichter oder schwerer sein könnte, als wir dachten. Laut einem neuen Artikel, der in der Preprint-Datenbank arXiv veröffentlicht wurde, gibt es bei der schwereren Dunklen Materie jedoch einige ernsthafte Probleme.
Das Problem ist, dass dunkle Materie manchmal, wenn auch nur selten, mit normaler Materie interagiert. Aber im frühen Universum, als der Kosmos viel heißer und dichter war, waren diese Wechselwirkungen viel häufiger. Als sich das Universum schließlich ausdehnte und abkühlte, verlangsamten sich diese Wechselwirkungen und hörten dann auf, was dazu führte, dass die Dunkle Materie „einfrierte“ und im Hintergrund still blieb.
Obwohl es sehr viele Modelle potenzieller Kandidaten für Dunkle Materie gibt, interagieren viele mit regulären Teilchen durch Austausche, an denen das Higgs-Boson beteiligt ist – ein fundamentales Teilchen, das mit fast allen anderen Teilchen wechselwirkt und diesen Teilchen durch diese Wechselwirkungen Masse verleiht.
Wir kennen die Masse des Higgs-Bosons: etwa 125 GeV. Die Forscher fanden heraus, dass diese Masse eine grundlegende Obergrenze für die mögliche Masse der meisten Kandidaten für Dunkle Materie darstellt.
Das Problem besteht darin, dass alle Wechselwirkungen in der Physik Einbahnstraßen sind. Das Higgs-System spricht sowohl mit Dunkler Materie als auch mit regulärer Materie und vermittelt in vielen Modellen die Wechselwirkungen zwischen ihnen. Aber beide Arten von Materie sprechen auch auf das Higgs zurück. Diese Wechselwirkungen erscheinen als geringfügige Modifikationen der Masse des Higgs-Bosons.
Für Teilchen des Standardmodells können wir diese Korrekturen und Rückkopplungswechselwirkungen berechnen. Auf diese Weise haben Theoretiker die Masse des Higgs-Bosons lange vor seiner Entdeckung vorhergesagt.
Die Forscher fanden heraus, dass, wenn das Teilchen der Dunklen Materie eine Masse von mehr als einigen Tausend GeV hätte, sein Beitrag zur Higgs-Masse unglaublich wichtig wäre und es von seinem beobachteten Wert abweichen würde. Und weil Higgs für die Bestimmung vieler anderer grundlegender Physik so zentral ist, würde es die Teilchenwechselwirkungen im Wesentlichen vollständig ausschalten.
Es gibt jedoch Möglichkeiten, diese Einschränkung zu umgehen. Dunkle Materie interagiert möglicherweise überhaupt nicht mit regulären Teilchen, oder die Interaktion erfolgt möglicherweise über einen exotischen Mechanismus, an dem Higgs nicht beteiligt ist. Aber diese Modelle sind rar gesät und erfordern viel Feinabstimmung und zusätzliche Schritte.
Oder es könnte sein, dass dunkle Materie leichter ist als wir dachten. Wenn wir nicht glauben, dass schwere Dunkle Materie ein geeigneter Kandidat ist, können wir unsere Bemühungen stattdessen in die andere Richtung konzentrieren, während wir mehr über diesen mysteriösen Bestandteil des Universums erfahren. Das Interesse an Axionen, ultraleichten Teilchen, die in einigen Modellen der Teilchenphysik vorhergesagt werden und ein geeigneter Kandidat für die Dunkle Materie sein könnten, hat bereits zugenommen.
Auf der experimentellen Seite können wir unsere Experimente verfeinern und umgestalten, um nach Teilchen mit geringer Masse anstelle von Teilchen mit hoher Masse zu suchen, wenn sich dieses Ergebnis bestätigt und sich als weit verbreitete Einschränkung der Teilchenmasse der Dunklen Materie erweist.
