Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

anfing – Fragen, die zur Wissenschaft der Kosmologie gehören.

Abb. 78: Die Suche nach dunkler Materie verfolgt einen dreiteiligen Ansatz. Detektoren unter der Erdoberfläche suchen nach dunkler Materie, die direkt auf die Zielkerne trifft. Der LHC könnte dunkle Materie erzeugen, die in seinen Experimentieranlagen Spuren hinterlässt. Und Satelliten oder Teleskope könnten Belege für dunkle Materie finden, die vernichtet wird und sichtbare Materie im Weltraum erzeugt.
    Aber LHC-Experimente sind nicht die einzige Möglichkeit, nach dunkler Materie zu suchen. Tatsache ist, dass die Physik jetzt in ein potentiell aufregendes Zeitalter von Daten eingetreten ist, und zwar nicht nur für die Elementarteilchenphysik, sondern auch für die Astronomie und Kosmologie. Dieses Kapitel erklärt, wie Experimente im anbrechenden Jahrzehnt nach dunkler Materie suchen werden, indem sie einen dreiteiligen Ansatz verfolgen. Zunächst untersucht es, warum dunkle Materieteilchen mit schwacher Masse favorisiert werden, und anschließend, wie der LHC dunkle Materieteilchen erzeugen und identifizieren könnte, wenn diese Hypothese richtig ist. Dann werden wir betrachten, wie ganz bestimmte Experimente, die eigens für die Suche nach dunklen Materieteilchen entworfen wurden, nach ihrer Ankunft auf der Erde Ausschau halten und versuchen, ihre schwache, aber potentiell feststellbaren Wechselwirkungen zu registrieren. Schließlich werden wir Möglichkeiten betrachten, wie Teleskope und Detektoren auf der Erde und im Weltraum nach Produkten von dunklen Materieteilchen suchen, die am Himmel vernichtet werden. Diese drei verschiedenen Weisen der Suche nach dunkler Materie sind in Abbildung 78 dargestellt.
    Durchsichtige Materie
    Wir kennen die Dichte der dunklen Materie, wir wissen, dass sie kalt ist (d.h., relativ zur Lichtgeschwindigkeit bewegt sie sich langsam) und dass sie höchstens äußerst schwach wechselwirkt – sicher ohne bedeutende Wechselwirkung mit dem Licht. Und das ist es auch schon. Dunkle Materie ist durchsichtig. Wir kennen ihre Masse nicht, wir wissen nicht, ob sie irgendwelche nichtgravitativen Wechselwirkungen aufweist oder wie sie im frühen Universum entstand. Wir kennen zwar ihre durchschnittliche Dichte, aber es könnte eine Protonenmasse pro Kubikzentimeter in unserer Galaxie geben, oder es könnte eintausend Billionen Mal die Protonenmasse in jedem Kubikkilometer in der Form eines kompakten Objekts geben, das sich durch das gesamte Universum erstreckt. Beides ergibt dieselbe durchschnittliche Dichte dunkler Materie, und beides könnte der Keim für die Bildung von Strukturen gewesen sein.
    Obwohl wir also wissen, dass sie da draußen ist, kennen wir noch nicht die Natur der dunklen Materie. Es könnten kleine schwarze Löcher oder Objekte aus anderen Dimensionen sein. Am wahrscheinlichsten ist es einfach ein neues Elementarteilchen, dem die üblichen Wechselwirkungen des Standardmodells fehlen – vielleicht ein stabiler neutraler Überrest einer schon bald zu entdeckenden physikalischen Theorie, der auf der schwachen Massenskala erscheinen wird. Aber auch wenn das der Fall ist, würden wir wissen wollen, was die Eigenschaften des dunklen Materieteilchens sind – seine Masse und seine Wechselwirkungen – und ob es Teil eines größeren Sektors neuer Elementarteilchen ist.
    Ein Grund, warum die Elementarteilchen-Interpretation gegenwärtig favorisiert wird, ist, dass der oben genannte Punkt – der Überfluss dunkler Materie, der Bruchteil an Energie, den sie trägt – diese Hypothese unterstützt. Es ist eine überraschende Tatsache, dass ein stabiles Teilchen, dessen Masse in etwa auf der schwachen Energieskala liegt, die der LHC erforschen wird (wieder über E=mc 2 ), heute eine Restdichte besitzt – der Bruchteil von Energie, der in den Elementarteilchen des Universums gespeichert ist –, die in der richtigen Größenordnung liegt, um dunkle Materie sein zu können.
    Die Logik ergibt sich folgendermaßen: Als sich das Universum entwickelte, nahm die Temperatur ab. Schwerere Teilchen, die im Überfluss vorhanden waren, als das Universum heißer war, sind im späteren kühleren Universum viel stärker ausgedünnt, da die Energie bei niedrigen Temperaturen für ihre Erzeugung nicht ausreicht. Sobald die Temperatur genug gefallen war, wurden schwere Teilchen effektiv durch schwere Antiteilchen vernichtet, so dass beide verschwanden, während der umgekehrte Prozess, durch den sie erzeugt wurden, nicht