Was macht die Materie aus, die wir im Universum wahrnehmen?
Zunächst gibt es die üblichen Verdächtigen wie Elektronen, Protonen, Quarks und Neutrinos. Aber wenn Ihnen diese Partikel nicht seltsam genug sind, bin ich hier, um Ihnen zu helfen.
Es gibt andere Teilchen, die so selten sind, dass wir nicht einmal sicher sind, ob sie existieren. Hier sind fünf der seltsamsten und seltensten hypothetischen Teilchen im Universum.
Dunkles Photon
Jeder liebt das Photon. Es verträgt sich mit so vielen anderen Teilchen. Es hat eine unendliche Reichweite. Damit funktionieren Taschenlampen. Aber es ist möglicherweise nicht die einzige Art von Photon da draußen. Betreten Sie das dunkle Photon, das wie ein normales Photon ist, aber einfach … dunkel.
Die Motivation für das dunkle Photon liegt in den Geheimnissen der dunklen Materie und der dunklen Energie. Dunkle Materie ist eine unsichtbare Form von Materie, die den größten Teil der Masse fast jeder Galaxie ausmacht und insgesamt etwa 25 % der Energie des Universums ausmacht. Dunkle Energie ist für die beschleunigte Expansion des Universums verantwortlich und macht 70 % des Inhalts des Kosmos aus.
Zu den vielen Fragen, mit denen Kosmologen konfrontiert sind, gehört die Frage, wie einfach oder kompliziert diese dunklen Komponenten sind. Wir wissen, dass reguläre Materie faszinierend komplex ist und eine große Vielfalt an Teilchen und Kräften im Spiel ist. Ist der dunkle Sektor, wie er genannt wird, groß, einfach und dumm, oder ist er so reich und vielfältig wie die helle Seite des Universums?
Wenn der dunkle Sektor komplex ist, gibt es möglicherweise zusätzliche Naturkräfte, die nur zwischen dunkler Materie und/oder dunkler Energie wirken, und dunkle Photonen wären die Träger dieser Kräfte. Bei keiner Suche wurden bisher Hinweise auf dunkle Photonen gefunden, aber wir müssen noch viel lernen.
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Curvaton
Kehren wir zu den frühesten Momenten des Urknalls zurück. Kosmologen glauben, dass unser Universum eine Phase unglaublich schneller Expansion durchgemacht hat, die als Inflation bekannt ist. Angetrieben wurde dieses Ereignis von einer mysteriösen Substanz im Universum, die als „Inflaton“ bekannt ist (was im Grunde einer dunklen Energie auf Steroiden ähnelte).
Die Inflation ist immer noch hypothetisch, aber sie hat eine aussagekräftige Vorhersage: die kosmische Struktur. Die statistischen Eigenschaften der Strukturen in unserem Universum entsprechen unseren Erwartungen an die kosmische Inflation. Daher glauben wir, dass dieses dramatische Ereignis den Grundstein für die Sterne, Galaxien und Sternhaufen legte, die später entstehen würden.
Trotz dieses Erfolgs gibt es bei der Inflation einige heikle Probleme. Zum einen ist es schwierig, Inflationsmodelle zu entwickeln, die „natürlich“ sind – in dem Sinne, dass sie ohne jegliche Feinabstimmung beginnen und enden – und dennoch die Keime der kosmischen Struktur erzeugen. Um dies zu umgehen, haben einige Theoretiker einen Begleiter des Inflatons vorgeschlagen, der als Curvaton bezeichnet wird.
Die Aufgabe des Curvaton besteht darin, herumzusitzen und abzuwarten, während die Inflation ihr Werk tut. Dann greift der Curvaton ein und legt den Grundstein für die Struktur. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass Inflationsmodelle „natürlicher“ sein können, da wir nicht eine Einheit – den Inflaton – dazu zwingen, die ganze Arbeit im frühen Universum zu erledigen.
Der Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass wir eine hypothetische Entität durch zwei ersetzen, was die Bedenken, dass wir möglicherweise das gesamte Inflationsbild falsch verstehen, nicht gerade zerstreut. Aber die Krümmung ist auf jeden Fall eine Untersuchung wert, denn Forschung in diese Richtung könnte einen vielversprechenden Weg eröffnen. Außerdem hat es einen wirklich coolen Namen.
Klebeball
Der Träger der starken Kraft ist ein Teilchen namens Gluon, von dem es neun Varianten gibt.
Das Schöne an Gluonen ist, dass sie auch die starke Kraft spüren können. Unsere besten Modelle des Protons sagen uns also, dass Gluonen ein heißes Durcheinander starker Kraftwechselwirkungen sind. Und sie sind nicht die einzigen heißen Probleme mit starken Kräftewechselwirkungen. Die Protonen und Neutronen haben drei Quarks (und Gluonen), und es gibt eine ganze Familie von Teilchen, die Mesonen genannt werden und zwei Quarks (und Gluonen) enthalten.
Wir haben also all diese Kombinationen von Quarks und Gluonen, die durch die starke Kernkraft zusammengehalten werden. Aber wenn Gluonen sowieso die starke Kernkraft spüren, warum überspringen wir dann nicht einfach den Quark-Teil? Warum es so kompliziert machen? Halten Sie es einfach. Und so kamen wir auf den Klebeball, ein kräftiges Teilchen, das aus nichts weiter als einer Ansammlung von zusammengeklebten Gluonen besteht.
Was den Klebeball so schwer fassbar macht, ist seine unglaubliche Vergänglichkeit mit einer Lebensdauer von weniger als einer Mikrosekunde. Das ist nicht so überraschend; Jede Kombination aus Quarks und Gluonen, mit Ausnahme des Protons, ist auch isoliert instabil. Es wird jedoch erwartet, dass die Klebebälle eine außergewöhnlich kurze Lebensdauer haben; sonst hätten wir sie inzwischen einfach in unseren Hinterhöfen herumschweben sehen.
Aber auch Klebebälle haben vorhergesagte Massen im Bereich nahezu aller anderen zusammengesetzten Partikel. Es kann also sein, dass wir es schaffen, uns aber nicht darüber im Klaren sind, denn wenn wir ein überraschend neues Teilchen in einem Beschleuniger sehen, können wir normalerweise nur seine Masse quantifizieren. Das bedeutet, dass wir bereits seit 2013 viele Kandidaten für Klebebälle beobachtet haben, aber was wir sahen, könnten auch andere Partikel sein, die viel weniger exotisch sind.
Heutzutage gibt es ganze Experimente wie GlueX, die sich der Suche nach Klebebällen widmen. Es ist die letzte noch gültige große Vorhersage des Standardmodells, daher lohnt es sich, nach diesen seltsamen Teilchen zu suchen.
X17
Seit wir es erfunden haben, versuchen wir, über das Standardmodell der Teilchenphysik hinauszukommen. Und im Jahr 2015 bekamen Physiker am ATOMKI, dem ungarischen Institut für Kernforschung, das Signal, dass etwas nicht stimmt.
Das Team hatte einen Apparat zur Suche nach dunklen Photonen zusammengestellt. Bei dem Aufbau wurden Protonen auf Lithium-7 abgefeuert, das sich dann in Beryllium-8-Kerne umwandelte, die dann zerfielen und Elektronen- und Positronenpaare erzeugten. Diese Paare flogen in verschiedenen Winkeln davon, und Wissenschaftler nutzten kernphysikalische Berechnungen, um die Ausbreitung dieser Winkel vorherzusagen. Wenn sie mehr dieser Teilchen bekamen als erwartet, könnte das daran liegen, dass dunkle Photonen beteiligt waren.
Und tatsächlich fand das ungarische Team zusätzliche Elektronen und Positronen. Um das Signal wiederherzustellen, musste ein neues Teilchen mit einer Masse von 17 MeV (34-fache Masse des Elektrons) vorhanden sein, daher erhielt dieses mysteriöse neue Teilchen einen Namen: X17.
In den folgenden Jahren hat das ungarische Team eine beeindruckende Liste von Errungenschaften zusammengestellt, die alle auf die Realität dieses neuen Teilchens hinweisen, einschließlich der statistischen Signifikanz von über 6 Sigma, und arbeitet mit Mitarbeitern zusammen, um ähnliche Signale zu finden.
Dennoch hegt der Großteil der Mainstream-Physik-Community Zweifel an X17. Alle „unabhängigen“ Bestätigungen weisen eine Art Fingerabdruck des ursprünglichen ungarischen Teams auf, und niemand außerhalb dieses Netzwerks konnte diesen Effekt reproduzieren.
Außerdem gibt es einige relativ plausible Erklärungen für die Anomalie, die sich aus der Geometrie des Detektoraufbaus ergibt. Da wir keine neuen Beweise für das Teilchen sehen, so sehr ich mir die Existenz von X17 auch wünschen würde, werde ich mir noch keine großen Hoffnungen machen.
Preon
Sie haben Ihre Elemente, wie Helium und Aluminium. Sie bestehen aus elementaren Teilchen wie dem Proton, dem Neutron und dem Elektron. Aber diese bestehen aus noch kleineren Dingen: Quarks. Warum also hier aufhören? Vielleicht handelt es sich bei dem, was wir die fundamentalen Teilchen des Universums nennen, in Wirklichkeit um zusammengesetzte Strukturen aus noch kleineren Objekten, den Preonen (wie in „Prä-Quarks“, nicht zu verwechseln mit Prionen).
Einer der größten Beweggründe für Preonen ist, dass viele Teilchen einander sehr ähnlich sind, sich aber nur geringfügig unterscheiden. Beispielsweise unterscheiden sich Elektron und Positron nur in der Ladung und Elektron und Myon nur in der Masse. Wir haben derzeit keine Erklärung für diese nahezu identischen Eigenschaften und vermuten daher, dass sie auf andere Wechselwirkungen zurückzuführen sind.
Preonen wurden vorgeschlagen, um … nun ja, fast jedes offene Problem im Standardmodell zu erklären, von der Frage, warum es nur drei Generationen gibt, bis hin zu der Frage, was dunkle Materie ist. Aber nichts scheint jemals haften zu bleiben, und das liegt daran, dass kein Experiment einen Hinweis darauf gegeben hat, dass Quarks und Leptonen zusammengesetzte Teilchen sind. Wir versuchen so gut wir können, sie auseinanderzuschlagen, aber sie bleiben einfach sie selbst.
