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

mehr in nennenswerter Weise stattfand. Deshalb nahm aufgrund dieser Vernichtung die Anzahldichte schwerer Teilchen sehr schnell ab, als sich das Universum abkühlte.
    Um vernichtet zu werden, müssen Teilchen und Antiteilchen einander natürlich erst finden. [68]   Aber in dem Maße, wie ihre Anzahl abnahm und sie mehr verstreut waren, wurde das immer unwahrscheinlicher. Als Folge davon wurden die Teilchen in der späteren Entwicklung des Universums weniger effektiv vernichtet, da dafür zwei davon am selben Ort nötig sind.
    Das Ergebnis davon ist, dass heute wesentlich mehr stabile Teilchen mit schwacher Masse vorhanden sein könnten, als eine naive Anwendung der Thermodynamik nahelegen würde – ab einem bestimmten Punkt wurden sowohl die Teilchen als auch die Antiteilchen so verdünnt, dass sie einander einfach nicht mehr finden und vernichten konnten. Wie viele Teilchen heute noch übrig sind, hängt von der Masse und den Wechselwirkungen des mutmaßlichen Kandidaten für dunkle Materie ab. Die Physiker wissen, wie man das Restvorkommen berechnet, wenn man diese Größen kennt. Es ist eine faszinierende und bemerkenswerte Tatsache, dass stabile Teilchen mit schwacher Masse gerade mit etwa der richtigen Häufigkeit übriggeblieben sind, um dunkle Materie zu sein.
    Da wir weder die genaue Teilchenmasse noch die genauen Wechselwirkungen kennen (ganz zu schweigen von dem Modell, zu dem diese stabilen Teilchen gehören könnten), wissen wir natürlich auch noch nicht, ob diese Zahlen genauso herauskommen. Aber die zufällige, wenn auch nur grobe Übereinstimmung zwischen Zahlen, die mit, oberflächlich betrachtet, zwei völlig verschiedenen Phänomenen verbunden sind, ist faszinierend und könnte durchaus ein Hinweis darauf sein, dass die Physik der schwachen Skala für die dunkle Materie im Universum verantwortlich ist.
    Diese Art von Kandidat für dunkle Materie ist allgemein als WIMP oder Weakly Interacting Massive Particle (schwach wechselwirkendes massives Teilchen) [3]   bezeichnet worden. Der Ausdruck »schwach« ist hier ein deskriptiver Begriff und bezieht sich nicht auf die schwache Kraft – ein WIMP würde eine noch schwächere Wechselwirkung aufweisen als die schwach wechselwirkenden Neutrinos des Standardmodells. Ohne direktere Belege für dunkle Materie und ihre Eigenschaften von derjenigen Art, die der LHC entdecken könnte, werden wir nicht wissen, ob dunkle Materie tatsächlich aus WIMPs besteht. Deshalb brauchen wir experimentelle Suchverfahren wie diejenigen, die wir jetzt betrachten werden.
    Dunkle Materie am LHC
    Die faszinierende Möglichkeit, dunkle Materie zu erzeugen, ist ein Grund, warum Kosmologen neugierig auf die Physik der schwachen Energieskala und auf die möglichen Befunde des LHC sind. Der LHC besitzt gerade die richtige Energie, um nach einem WIMP zu suchen. Wenn dunkle Materie tatsächlich aus einem Teilchen besteht, das mit der schwachen Energieskala verknüpft ist, wie die oben genannte Berechnung nahe legt, könnte sie eben am LHC erzeugt werden.
    Aber auch wenn das der Fall sein sollte, wird man das dunkle Materieteilchen nicht unbedingt entdecken. Schließlich zeigt die dunkle Materie keine großen Wechselwirkungen. Aufgrund ihrer begrenzten Wechselwirkungen mit der Materie des Standardmodells, werden dunkle Materieteilchen sicher nicht direkt erzeugt oder in einem Detektor festgestellt. Selbst wenn sie erzeugt werden, werden sie einfach hindurchfliegen. Trotzdem ist noch nicht alles verloren (selbst wenn das dunkle Materieteilchen verlorengeht). Jede Lösung des Hierarchieproblems wird andere Teilchen enthalten – von denen die meisten stärkere Wechselwirkungen zeigen. Einige davon könnten in großen Mengen erzeugt werden und anschließend zu dunkler Materie zerfallen, die dann einen nicht-registrierten Impuls und Energie wegtragen wird.
    Supersymmetrische Modelle sind die am besten untersuchten Modelle der schwachen Skala von dieser Art, die naturgemäß einen brauchbaren Kandidaten für dunkle Materie beinhalten. Wenn die Welt supersymmetrisch ist, könnte das leichteste supersymmetrische Teilchen (LSP) die dunkle Materie konstituieren. Dieses leichteste Teilchen, das eine elektrische Nullladung trägt, hat eine zu schwache Wechselwirkung, um hinreichend oft alleine erzeugt zu werden, so dass man es auch feststellen könnte. Jedoch würden Gluinos – supersymmetrische Partner der Gluonen, die die starke Kraft vermitteln – und Squarks – supersymmetrische