HYPER (Characteristic Interactive Particle Effects) – ein neues Modell für Dunkle Materie

Ein Phasenübergang im frühen Universum verändert die Stärke der Wechselwirkung zwischen normaler und dunkler Materie.

Dunkle Materie bleibt eines der großen Geheimnisse der modernen Physik. Offensichtlich muss sie existieren, denn ohne Dunkle Materie lässt sich beispielsweise die Bewegung von Galaxien nicht erklären. Aber dunkle Materie konnte noch nie in einem Experiment nachgewiesen werden.

Derzeit gibt es viele Vorschläge für neue Experimente: Sie zielen darauf ab, Dunkle Materie durch ihre Streuung an den Bestandteilen der Atomkerne des Nachweismediums, nämlich Protonen und Neutronen, direkt nachzuweisen.

Ein Forscherteam – Robert McGee und Aaron Pearce von der University of Michigan und Geli Ellor von der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz – hat einen neuen Kandidaten für dunkle Materie vorgeschlagen: HYPER oder „Highly Interactive Particulate Relics“.

Im HYPER-Modell nimmt irgendwann nach der Entstehung der Dunklen Materie im frühen Universum ihre Wechselwirkung mit gewöhnlicher Materie plötzlich an Stärke zu – was sie einerseits heute nachweisbar macht und gleichzeitig eine Fülle von Dunkelheit erklären könnte. Sache.

Dieses Bild des Hubble-Weltraumteleskops der NASA zeigt die Verteilung der Dunklen Materie im Zentrum des riesigen Galaxienhaufens Abell 1689, der etwa 1.000 Galaxien und Billionen von Sternen enthält.
Dunkle Materie ist eine unsichtbare Form von Materie, die den größten Teil der Masse des Universums ausmacht. Hubble kann dunkle Materie nicht direkt sehen. Astronomen schlossen auf seinen Standort, indem sie den Effekt des Gravitationslinseneffekts analysierten, bei dem das Licht von Galaxien hinter Abell 1689 durch Interferenzen mit Materie innerhalb des Haufens verzerrt wird.
Die Forscher verwendeten die beobachteten Positionen von 135 Linsenbildern von 42 Hintergrundgalaxien, um die Position und Menge der Dunklen Materie im Haufen zu berechnen. Sie kartierten die abgeleiteten Konzentrationen dunkler Materie in Blau auf ein Bild des Clusters, das von Hubbles Advanced Camera for Surveys aufgenommen wurde. Wenn die Gravitation des Haufens nur von sichtbaren Galaxien käme, wären die Linsenverzerrungen viel schwächer. Die Karte zeigt, dass sich die dichteste Konzentration an Dunkler Materie im Herzen des Clusters befindet.
Abell 1689 befindet sich 2,2 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Foto aufgenommen im Juni 2002.
Bildnachweis: NASA, ESA, D. Coe (NASA Jet Propulsion Laboratory / California Institute of Technology, Space Telescope Science Institute), N. Benitez (Astrophysical Institute of Andalusia, Spanien), T. Broadhurst (Universität des Baskenlandes, Spanien). ) und H. Ford (Johns Hopkins University)

Die neue Vielfalt im Bereich Dunkle Materie

Da die Suche nach schweren Teilchen der dunklen Materie, kurz WIMPS, noch nicht zum Erfolg geführt hat, sucht die Forschungsgemeinschaft nach alternativen Teilchen der dunklen Materie, insbesondere nach leichteren. Gleichzeitig würde man generell Phasenübergänge im dunklen Sektor erwarten – schließlich gibt es viele Übergänge im sichtbaren Sektor, sagen die Forscher. Aber frühere Studien neigen dazu, es zu vernachlässigen.

„Es gab kein konsistentes Modell der Dunklen Materie für den Massenbereich, den einige geplante Experimente zu erreichen hoffen. Unser HYPER-Modell zeigt jedoch, dass der Phasenübergang tatsächlich dazu beitragen kann, Materie Dunkler leichter zu erkennen.

Die Herausforderung für ein adäquates Modell: Wenn Dunkle Materie stark mit gewöhnlicher Materie wechselwirkt, dann wäre die (genau bekannte) Menge davon, die im frühen Universum gebildet wurde, sehr gering, was astrophysikalischen Beobachtungen widerspricht. Wenn sie jedoch in der richtigen Menge produziert wird, wäre die Wechselwirkung zu schwach, um Dunkle Materie in aktuellen Experimenten nachzuweisen.

„Unsere zentrale Idee, die dem HYPER-Modell zugrunde liegt, ist, dass sich die Wechselwirkung plötzlich auf einmal ändert – damit wir das Beste aus beiden Welten bekommen: die richtige Menge an Dunkler Materie und viel Wechselwirkung, damit wir sie erkennen können.“ sagte McGee.

Und so stellen sich die Forscher das vor: In der Teilchenphysik wird die Wechselwirkung meist durch ein bestimmtes Teilchen, das sogenannte Medium, vermittelt – ebenso wie die Wechselwirkung von Dunkler Materie mit gewöhnlicher Materie. Sowohl die Zusammensetzung der Dunklen Materie als auch ihre Detektionsfunktion erfolgen über dieses Medium, wobei die Stärke der Wechselwirkung von ihrer Masse abhängt: Je größer die Masse, desto schwächer die Wechselwirkung.

Das Medium muss zunächst schwer genug sein, damit die richtige Menge an Dunkler Materie entsteht und später genug Licht, um Dunkle Materie überhaupt nachweisen zu können. Lösung: Nach der Entstehung der Dunklen Materie kam es zu einem Phasenübergang, bei dem die Masse des Mediums plötzlich abnahm.

„So bleibt einerseits die Menge an Dunkler Materie konstant, andererseits wird die Wechselwirkung so verstärkt bzw. verstärkt, dass die Dunkle Materie direkt nachweisbar ist“, sagt Pearce.

Das neue Modell deckt nahezu den gesamten Parameterbereich der geplanten Experimente ab

„Das HYPER-Modell der Dunklen Materie ist in der Lage, fast den gesamten Bereich abzudecken, den die neuen Experimente zur Verfügung stellen“, sagte Ellor.

Konkret betrachtete das Forscherteam zunächst den maximalen Querschnitt des Wechselwirkungsmediums mit den Protonen und Neutronen eines Atomkerns als konsistent mit astronomischen Beobachtungen und einigen teilchenphysikalischen Zerlegungen. Der nächste Schritt bestand darin, zu sehen, ob es ein Modell der Dunklen Materie gibt, das diese Wechselwirkung zeigt.

„Und da kamen wir auf die Idee des Übergangs“, sagte McGee. „Wir haben dann die Menge der im Universum vorhandenen Dunklen Materie berechnet und dann den Phasenübergang mit unseren Berechnungen simuliert.“

Es gibt eine Reihe von Einschränkungen zu beachten, wie z. B. eine feste Menge an dunkler Materie.

„Hier müssen wir systematisch mehrere Szenarien betrachten und einbeziehen, zum Beispiel die Frage, ob es wirklich sicher ist, dass unser Medium nicht plötzlich zur Bildung neuer Dunkler Materie führt, was natürlich nicht passieren muss.“ sagte Ellor. . „Aber am Ende waren wir davon überzeugt, dass unser HYPER-Modell funktioniert.“

Veröffentlichung der Forschungsergebnisse in der Zeitschrift Physische Überprüfungsschreiben.

Referenz: „Maximizing Direct Detection Using Highly Interacting Particle Dark Matter“ von Jelly Ellor, Robert McGee und Aaron Pierce, 20. Januar 2023, hier verfügbar. Physische Überprüfungsschreiben.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.031803