Die intensive, weltweite Suche nach dunkler Materie, der fehlenden Masse im Universum, hat bisher weder eine Fülle dunkler, massereicher Sterne noch Unmengen seltsamer neuer, schwach wechselwirkender Teilchen gefunden, aber ein neuer Kandidat gewinnt langsam Anhänger und Unterstützung durch Beobachtungen.

Die so genannten SIMPs – stark wechselwirkende massive Teilchen – wurden vor drei Jahren von dem theoretischen Physiker Hitoshi Murayama von der University of California in Berkeley, Professor für Physik und Direktor des Kavli-Instituts für Physik und Mathematik des Universums (Kavli IPMU) in Japan, und der ehemaligen Postdoc Yonit Hochberg von der UC Berkeley, die jetzt an der Hebräischen Universität in Israel arbeitet, vorgeschlagen.

Murayama sagt, dass die jüngsten Beobachtungen einer nahe gelegenen galaktischen Anhäufung ein Beweis für die Existenz von SIMPs sein könnten, und er geht davon aus, dass zukünftige Teilchenphysikexperimente einen von ihnen entdecken werden.

Murayama diskutierte seine neuesten theoretischen Ideen über SIMPs und wie die kollidierenden Galaxien die Theorie unterstützen in einem eingeladenen Vortrag am 4. 4. Dezember auf dem 29. Texas Symposium on Relativistic Astrophysics in Kapstadt, Südafrika.

Astronomen haben berechnet, dass die dunkle Materie, obwohl sie unsichtbar ist, etwa 85 Prozent der Masse des Universums ausmacht. Der solideste Beweis für ihre Existenz ist die Bewegung der Sterne in den Galaxien: Ohne einen unsichtbaren Klumpen dunkler Materie würden die Galaxien auseinanderfliegen. In einigen Galaxien sind die sichtbaren Sterne so selten, dass die dunkle Materie 99,9 Prozent der Masse der Galaxie ausmacht.

Theoretiker dachten zunächst, dass es sich bei dieser unsichtbaren Materie nur um normale Materie handelt, die zu schwach ist, um sie zu sehen: gescheiterte Sterne, so genannte braune Zwerge, ausgebrannte Sterne oder schwarze Löcher. Sogenannte massive kompakte Halo-Objekte – MACHOs – blieben jedoch unentdeckt, und Anfang dieses Jahres schloss eine Durchmusterung der Andromeda-Galaxie durch das Subaru-Teleskop eine bedeutende unentdeckte Population schwarzer Löcher im Grunde aus. Die Forscher suchten nach schwarzen Löchern aus der Frühzeit des Universums, so genannten primordialen schwarzen Löchern, indem sie nach plötzlichen Aufhellungen suchten, die entstehen, wenn sie vor Hintergrundsternen vorbeiziehen und wie eine schwache Linse wirken. Sie fanden genau eines – zu wenig, um signifikant zur Masse der Galaxie beizutragen.

„Diese Studie hat die Möglichkeit von MACHOs so gut wie ausgeschlossen; ich würde sagen, dass sie so gut wie verschwunden ist“, sagte Murayama.

WIMPs – schwach wechselwirkende massive Teilchen – erging es nicht besser, obwohl sie seit mehreren Jahrzehnten im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit der Forscher stehen. Sie sollten relativ groß sein – etwa 100-mal schwerer als ein Proton – und so selten miteinander wechselwirken, dass sie als „schwach“ wechselwirkend bezeichnet werden. Man nahm an, dass sie häufiger mit normaler Materie über die Schwerkraft wechselwirken und dabei helfen, normale Materie in Klumpen anzuziehen, die zu Galaxien heranwachsen und schließlich Sterne hervorbringen.

SIMPs wechselwirken mit sich selbst, aber nicht mit anderen

SIMPs, wie WIMPs und MACHOs, müssten theoretisch schon früh in der Geschichte des Universums in großen Mengen produziert worden sein und sind seitdem auf die durchschnittliche kosmische Temperatur abgekühlt. Doch im Gegensatz zu WIMPs wechselwirken SIMPs theoretisch stark mit sich selbst über die Schwerkraft, aber nur sehr schwach mit normaler Materie. Eine Möglichkeit, die Murayama vorschlägt, ist, dass ein SIMP eine neue Kombination von Quarks ist, die die grundlegenden Bestandteile von Teilchen wie Proton und Neutron, den so genannten Baryonen, sind. Während Protonen und Neutronen aus drei Quarks bestehen, wäre ein SIMP eher wie ein Pion, das nur zwei enthält: ein Quark und ein Antiquark.

Das SIMP wäre kleiner als ein WIMP, mit einer Größe oder einem Wirkungsquerschnitt wie der eines Atomkerns, was bedeutet, dass es mehr von ihnen gibt als WIMPs. Eine größere Anzahl würde bedeuten, dass sie trotz ihrer schwachen Wechselwirkung mit normaler Materie – in erster Linie durch Streuung an ihr, im Gegensatz zur Verschmelzung mit oder dem Zerfall in normaler Materie – einen Fingerabdruck in der normalen Materie hinterlassen würden, so Murayama.

Er sieht einen solchen Fingerabdruck in vier kollidierenden Galaxien innerhalb des Abell 3827-Haufens, wo überraschenderweise die dunkle Materie hinter der sichtbaren Materie zurückzubleiben scheint. Dies könne durch Wechselwirkungen zwischen der dunklen Materie in jeder Galaxie erklärt werden, die die Verschmelzung der dunklen Materie verlangsamen, nicht aber die der normalen Materie, also der Sterne.

„Eine Möglichkeit zu verstehen, warum die dunkle Materie hinter der leuchtenden Materie zurückbleibt, ist, dass die Teilchen der dunklen Materie tatsächlich eine endliche Größe haben, sie streuen gegeneinander, so dass sie, wenn sie sich auf den Rest des Systems zubewegen wollen, zurückgestoßen werden“, sagte Murayama. „Das würde diese Beobachtung erklären.

SIMPs überwinden auch einen großen Schwachpunkt der WIMP-Theorie: die Fähigkeit, die Verteilung der dunklen Materie in kleinen Galaxien zu erklären.

„Es gibt seit langem ein Rätsel: Wenn man sich Zwerggalaxien anschaut, die sehr klein sind und nur wenige Sterne haben, werden sie wirklich von dunkler Materie dominiert. Und wenn man numerische Simulationen durchführt, wie sich die dunkle Materie verklumpt, sagen sie immer eine große Konzentration zum Zentrum hin voraus. Ein Scheitelpunkt“, sagte Murayama. „Beobachtungen deuten jedoch darauf hin, dass die Konzentration flacher ist: ein Kern anstelle eines Scheitelpunkts. Das Kern/Spitze-Problem wurde als eines der Hauptprobleme bei dunkler Materie angesehen, die nur durch die Schwerkraft wechselwirkt. Aber wenn dunkle Materie eine endliche Größe hat, wie ein SIMP, können die Teilchen „klirren“ und sich selbst zerstreuen, und das würde das Massenprofil zum Zentrum hin abflachen. Das ist ein weiterer ‚Beweis‘ für diese Art von theoretischer Idee.“

Laufende Suche nach WIMPs und Axionen

Bodengestützte Experimente zur Suche nach SIMPs sind in Planung, vor allem an Beschleunigern wie dem Large Hadron Collider am CERN in Genf, wo Physiker ständig nach unbekannten Teilchen suchen, die neuen Vorhersagen entsprechen. Ein weiteres Experiment am geplanten International Linear Collider in Japan könnte ebenfalls für die Suche nach SIMPs genutzt werden.

Während Murayama und seine Kollegen die Theorie der SIMPs verfeinern und nach Möglichkeiten suchen, sie zu finden, geht die Suche nach WIMPs weiter. Das Large Underground Xenon (LUX) Dunkle Materie-Experiment in einem unterirdischen Bergwerk in South Dakota hat strenge Grenzen dafür gesetzt, wie ein WIMP aussehen kann, und ein erweitertes Experiment namens LZ wird diese Grenzen weiter ausdehnen. Daniel McKinsey, Physikprofessor an der UC Berkeley, ist einer der Co-Sprecher dieses Experiments und arbeitet eng mit dem Lawrence Berkeley National Laboratory zusammen, wo Murayama ein leitender Wissenschaftler der Fakultät ist.

Physiker suchen auch nach anderen Kandidaten für dunkle Materie, die keine WIMPs sind. Die Fakultät der UC Berkeley ist an zwei Experimenten beteiligt, die nach einem hypothetischen Teilchen namens Axion suchen, das die Voraussetzungen für dunkle Materie erfüllen könnte. Das Cosmic Axion Spin-Precession Experiment (CASPEr) unter der Leitung von Dmitry Budker, einem emeritierten Physikprofessor, der jetzt an der Universität Mainz in Deutschland tätig ist, und dem Theoretiker Surjeet Rajendran, einem Physikprofessor der UC Berkeley, plant, nach Störungen des Kernspins zu suchen, die durch ein Axionfeld verursacht werden. Karl van Bibber, Professor für Nukleartechnik, spielt eine Schlüsselrolle im Axion Dark Matter eXperiment – High Frequency (ADMX-HF), mit dem Axionen in einem Mikrowellenhohlraum innerhalb eines starken Magnetfelds nachgewiesen werden sollen, während sie sich in Photonen umwandeln.

„Natürlich sollten wir die Suche nach WIMPs nicht aufgeben“, sagte Murayama, „aber die experimentellen Grenzen werden sehr, sehr wichtig.

Neutrinos wechselwirken so selten mit normaler Materie, dass schätzungsweise 100 Billionen pro Sekunde durch unseren Körper fliegen, ohne dass wir es bemerken, was es extrem schwierig macht, sie zu entdecken.

„Der Konsens in der Gemeinschaft ist, dass wir nicht wissen, wie weit wir gehen müssen, aber zumindest müssen wir auf dieses Niveau herunterkommen“, fügte er hinzu. „Aber da es definitiv keine Anzeichen für das Auftreten von WIMPs gibt, fangen die Leute heutzutage an, breiter zu denken. Lassen Sie uns innehalten und noch einmal darüber nachdenken.“