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TEILCHENPHYSIK
Grenzen für Dunkle-Materie-Modelle
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Technischen Universität Darmstadt
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6. November 2017

Was genau ist die Dunkle Materie? Eine Antwort auf diese Frage würde den beteiligten Forschern vermutlich den Physik-Nobelpreis einbringen. Doch so weit ist man noch nicht: Jetzt konnten Theoretiker aber zumindest die Unsicherheiten bei Experimenten zur Suche nach Partikeln der Dunklen Materie weiter verringern. Sie hoffen, Modelle zur Dunklen Materie dadurch besser eingrenzen zu können.

HUDF

Das Universum besteht zum großen Teil aus Dunkler Materie. Um was es sich dabei handelt, weiß man bislang nicht. Bild: NASA, ESA, H. Teplitz und M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) und Z. Levay (STScI) [Großansicht]

Aus einer Vielzahl astrophysikalischer Beobachtungen ist bekannt, dass die sichtbare Materie nur einen kleinen Teil der gesamten Materie des Universums ausmacht. Die verbleibenden 80 Prozent werden als "Dunkle Materie" bezeichnet, da sie sich einer direkten Beobachtung bis heute entziehen. Trotzdem gibt es eine Vielzahl von Modellen für Dunkle Materie, die man in Laborexperimenten überprüfen kann, da dort die direkte Wechselwirkung zwischen Dunkler und gewöhnlicher Materie Spuren hinterlassen sollte.

Ein solches Experiment ist beispielsweise das XENON1T Experiment in Gran Sasso in Italien, in dem in einem Untergrundlabor, gut abgeschirmt von kosmischer Hintergrundstrahlung, nach den Teilchen der Dunklen Materie gesucht wird. Dabei versucht man in Detektoren, die mit dem flüssigen Edelgas Xenon gefüllt sind, Zusammenstöße von Dunkle-Materie-Teilchen mit Xenon-Atomkernen aufzuspüren. Bisher konnte kein solches Teilchen nachgewiesen werden, jedoch grenzen die Ergebnisse der Experimente die mögliche Stärke dieser Wechselwirkungen ein.

Für bestimmte Dunkle-Materie-Modelle, in denen angenommen wird, dass die Wechselwirkung über den Austausch eines schnell zerfallenden Elementarteilchens – des Higgs-Bosons – stattfindet, gibt es eine unabhängige, indirekte Methode, um die Wechselwirkungsstärke einzugrenzen. Nach diesen Modellen erwartet man, dass das Higgs-Boson in Dunkle Materie zerfällt. Diese Zerfallsprozesse, sogenannte unsichtbare Higgs-Zerfälle, lassen sich im Prinzip in Beschleunigerexperimenten wie dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN beobachten.

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Die dabei erzeugten Dunkle-Materie-Teilchen, sogenannte WIMPs, würden anders als gewöhnliche Materie keine Signatur im Detektor hinterlassen. Untersucht man das Ausbleiben solcher Zerfälle, wie es am LHC beobachtet wurde, lässt sich die Wechselwirkungsstärke von Dunkler Materie komplementär zu den Einschränkungen aus den Untergrundexperimenten eingrenzen. In der Vergangenheit war der Vergleich der Ergebnisse beider Methoden mit einer großen Unsicherheit behaftet, da die Wechselwirkung des Higgs-Bosons mit den Atomkernen in Untergrundexperimenten nur unzureichend bekannt war.

In einer Zusammenarbeit von theoretischen Physikern an den Universitäten Darmstadt, Seattle und Toki ist es gelungen, diese Unsicherheiten deutlich zu reduzieren. Die Forscher kombinierten dazu die neuesten Ergebnisse aus kernphysikalischen Experimenten mit Ergebnissen aus modernen numerischen Simulationen der sogenannten Gitter-QCD, um die Kopplung des Higgs-Bosons an ein Proton oder Neutron, also an ein Nukleon, genauer zu bestimmen.

Außerdem wurden zum ersten Mal Effekte einbezogen, die sich aus der Wechselwirkung von Nukleonen innerhalb eines gebundenen Atomkerns ergeben. Diese erlauben es dem Higgs-Boson, mit zwei Nukleonen zu interagieren. Dies führt zu kleinen, aber nicht vernachlässigbaren Korrekturen. Zusammengenommen konnte so für verschiedene Modelle die mögliche Stärke der Wechselwirkung zwischen Dunkle-Materie-Teilchen und Nukleonen deutlich präziser eingegrenzt werden.

Die Einbeziehung der Wechselwirkung von Nukleonen im Atomkern kann auch in Zukunft helfen, andere Dunkle-Materie-Modelle besser einzugrenzen. Dieses Ziel verfolgen die beteiligten Wissenschaftler in enger Zusammenarbeit mit experimentellen Gruppen.

Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler in einem Fachartikel, der in den Physical Review Letters erschienen ist.

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siehe auch
XENON1T: Suche nach Signal der Dunklen Materie - 11.November 2015
XENON100: Kein Signal der Dunklen Materie - 21. August 2015
WIMPs: Neue Grenzen für Dunkelmaterie-Partikel - 14. April 2011
Dunkle Materie: Physiker auf der Jagd nach WIMPs - 19. Januar 2011
Dunkle Materie: Lauschen auf ein Läuten der WIMPs - 26. Februar 2008
Edelweiss II: Jagd nach den WIMPs beginnt - 4. April 2006
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Technische Universität Darmstadt
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