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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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Woraus besteht Dunkle Materie? |
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| | | Um das Verhalten der Galaxien im Universum erklären zu können, postulieren Astronomen die Existenz der so genannten Dunklen Materie. Einziger Schönheitsfehler an diesem Konzept: Man konnte die mysteriöse Materieform noch nicht nachweisen. Wie ein internationales Team von Physikern berichtet, gibt es dafür zumindest zwei aussichtsreiche Kandidaten. Dabei handelt es sich um Teilchen, die auf die Namen "Neutralino" bzw. "Axion" hören. |
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Wie Konstantin Zioutas vom Forschungszentrum CERN mit drei weiteren Kollegen schreibt, könnten durchaus beide Teilchentypen existieren. Einige Experimente weisen sogar darauf hin, dass der Kosmos noch von weiteren "dunklen" Partikeln bevölkert ist.
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Der Artikel "What Is Dark Matter Made Of?" von Konstantin Zioutas, Dieter H. H. Hoffmann, Konrad Dennerl und Thomas Papaevangelou erschien im Fachjournal "Science" (Ausgabe vom 26.11.04). |
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 "Science" |
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Das Problem der fehlenden Materie |
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In der Astronomie schlägt man sich seit geraumer Zeit mit dem so genannten missing mass problem herum. Bereits in den 1930er Jahren fiel dem schweizerisch-amerikanischen Astronomen F. Zwicky auf, dass die Bewegung von Galaxien um ihr Gravitationszentrum im Widerspruch zu den astronomischen Beobachtungsdaten steht.
Nimmt man nämlich an, dass das von Galaxien ausgesendete Licht mit der Menge vorhandener Materie zusammenhängt, dann müssten beispielsweise die äußeren Arme von Spiralgalaxien nach den Keplerschen Gesetzen viel langsamer rotieren, als es tatsächlich der Fall ist.
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Dunkle Energieformen dominieren im Universum |
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Zwickys berühmter Lösungsversuch für dieses Dilemma: Es muss neben der sichtbaren Materie (Sterne und interstellare Gase) auch eine andere, unsichtbare Materieform geben.
Diese Hypothese gilt auch heute noch - mittlerweile geht man auf Grund von Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung davon aus, dass die "handelsübliche" Materie nur etwa vier Prozent zum Energiebudget des Universums beiträgt, während die Dunkle Materie rund 25 Prozent auf sich vereinigt. (Der Rest geht auf das Konto der so genannten Dunklen Energie, einer Art Anti-Gravitationskraft.)
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Bestandteile der Dunklen Materie |
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Das führt zur nahe liegenden Frage: Woraus besteht eigentlich die mysteriöse Dunkle Materie? Dazu gibt es eine Reihe von Theorien, je nachdem welchen Teilchentypen man die Bildung solch exotischer Materieformen zugesteht.
Eine - nämlich aus Baryonen bestehende - Form der Dunklen Materie könnte sich etwa in erloschenen supermassiven Sternen oder so genannten Braunen Zwergen finden. Letztere werden von den Astrophysikern launig MACHOs genannt, was für "Massive Compact Halo Objects" steht.
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WIMPs und MACHOs |
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Zwar gibt es für die Existenz von galaktischen MACHOs einige empirische Hinweise, höher im Kurs stehen nach Ansicht von Konstantin Zioutas und Kollegen zur Zeit die "Weakly Interacting Massive Particles", wovon sich ebenfalls ein hübsches Akronym ableitet, nämlich "WIMPs".
"Wimp" bedeutet bekanntlich so viel wie "Schwächling", und das kommt nicht von ungefähr: Man nimmt an, dass WIMPs zwar eine ungeheuer hohe Masse besitzen (pro Teilchen rund das Tausendfache eines Wasserstoffatoms), aber dafür nur eine äußerst schwach ausgeprägte Interaktion mit der uns geläufigen Materieform ausbilden.
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Top-Kandidat Neutralino |
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Ein Teilchentyp, dem man in diesem Zusammenhang besonders gute Chancen auf einen definitiven Nachweis einräumt, ist das so genannte Neutralino, dessen Existenz von so genannten Supersymmetrie-Modellen postuliert wird.
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Supersymmetrie vergrößert den Teilchenzoo
Das Konzept der Supersymmetrie, auch SUSY genannt, ist eine Erweiterung des Standardmodells der Elementarteilchen, um neben Elektromagnetismus, starker und schwacher Kernkraft auch die Gravitation in einer vereinheitlichten Theorie erfassen zu können.
Hierbei wird postuliert, dass der ohnehin schon reich bevölkerte physikalische Teilchenzoo noch um einiges größer ist, weil es zu jedem Elementarteilchen einen so genannten Superpartner gibt. Die hypothetischen "Schatten"-Partner der Fermionen (z.B. Gluonen, Photonen) werden demnach durch die Nachsilbe "-ino" ausgezeichnet (Gluinos, Photinos), jene der Bosonen (z.B. Quarks, Neutrinos) mit der Vorsilbe "s-" (sQuarks, sNeutrinos). |
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Mehr zu SUSY (Rice University) |
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Direkte Nachweise - im Prinzip - möglich |
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Wie Zioutas und Mitarbeiter betonen, gibt es mehrere Möglichkeiten, den Neutralinos auf die Spur zu kommen. Zum einen könnten die WIMP-Kandidaten direkt via Kollisionsexperimenten in Teilchenbeschleunigern nachgewiesen werden.
Das ist zwar noch nicht gelungen, die Physikergemeinde setzt hier allerdings große Hoffnungen in den "Large Hadron Collider" (LHC) des Forschungszentrums CERN, der im Jahr 2007 in Betrieb gehen soll.
Ebenfalls direkte Nachweise könnten sich aus der Interaktion von Neutralinos mit Atomkernen ergeben. Nur tritt der Effekt sehr selten auf und ist zudem äußerst klein, weswegen er von der hochenergetischen kosmischen Strahlung überlagert wird. Etwaige Nachweise sollten daher nur in gut geschützten, unterirdischen Labors gelingen.
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Indirekter Nachweis bereits geglückt? |
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Es besteht indes auch die Möglichkeit, dass sich die Neutralinos auf indirekte Weise bemerkbar machen. Dies könnte etwa der Fall sein, wenn zwei solche Partikel in einem heißen Kondensat kollidieren und sich so gegenseitig auslöschen.
Für einen solchen Effekt gibt es in der Tat Hinweise: Mit dem HESS-Telskop beobachtete man kürzlich eine kontinuierliche Emmission von Gammastrahlen, die u.a. als "Fingerabdruck" einer Neutralino-Auslöschung gedeutet wurden.
Einziger Schönheitsfehler: Die Energie der Strahlung ist viel höher, als es die Theorie erwarten lässt. "Das lässt noch Raum für Dunkle Materieteilchen, die noch exotischer sind, als die bisher in Erwägung gezogenen", so die Physiker in ihrem Artikel.
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Zweiter Hoffungsträger: Axion |
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Top-Kandidat Nummer Zwei ist nach Ansicht von Zioutas und Kollegen das so genannte Axion. Dabei handelt es sich um ein mögliches Elementarteilchen mit einer sehr geringen Restmasse, dessen Existenz ursprünglich von Teilchenphysikern aus Symmetriegründen vorgeschlagen wurde.
Wie beim Neutralino fehlt auch hier bislang ein definitiver Beweis für dessen Vorhandensein.
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Produziert die Sonne Axionen? |
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Die Axionen werden als Überbleibsel einer Frühphase der kosmischen Evolution angesehen, es gibt aber die Möglichkeit, dass die exotischen Teilchen auch heute noch produziert werden.
Und zwar dann, wie Zioutas und Mitarbeiter schreiben, wenn Photonen im Inneren von Sternen in das elektrische Feld von Atomkernen gelangen und sich so in Axionen umwandeln.
Sofern die Axionen den Sternen - wie etwa unserer Sonne - entkommen, müssten sie auch registrierbar sein: Unter dem Einfluss starker Magentfelder sollten sich diese nämlich in Photonen zurück verwandeln.
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Nachweis durch CAST-Experimente
Genau diesen Nachweisweg will man im Rahmen der CAST-Experimente beschreiten, indem man Magneten des "Large Hadron Collider" auf die unter- bzw. aufgehende Sonne richtet und so einen Photonenüberschuss registriert. |
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CAST-Website des CERN |
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Weitere Exoten im Universum? |
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Für Zioutas und Co-Autoren sind Neutralinos und Axionen jedenfalls die aussichtsreichsten Kandidaten für den endgültigen Nachweis der Dunkle Materie.
Sie betonen, dass das Universum durchaus von beiden Teilchentypen bevölkert sein könnte. Darüber hinaus sei keineswegs auszuschließen, dass es weitere exotische, bislang unsichtbare Partikel gibt, die noch nicht einmal von Theoretikern ersonnen worden sind.
Robert Czepel, science.ORF.at, 26.11.04
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Mehr zu dem Thema in science.ORF.at:
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01.01.2010 |
