Indirekter Hinweis auf Dunkle Materie bei stellaren Schwarzen Löchern

[Bernhard]

Anton Petrov hat vor einigen Tagen auf YouTube einen interessanten Clip über eine neuere Arbeit in Astrophysical Jounal Letters vom Januar online gestellt:
First Evidence For Existence of Dark Matter Around Black Holes
Der Akzent von AP ist etwas gewöhnungsbedürftig aber für mich noch unterhalb der Schmerzgrenze.

Paper kann man sich hier anschauen: Indirect Evidence for Dark Matter Density Spikes around Stellar-mass Black Holes
(Universität Hong Kong, 30.01.2023)

 

[ralfkannenberg]

Hallo zusammen,

ich habe hierzu eine Frage: im Paper ist wie selbstverständlich die Rede davon, dass die DM-Teilchen selbst-annihilierend sind. Auch im WIkipedia-Artikel über die WIMPS finde ich eine solche Formulierung, allerdings ohne Quellenangabe:

Obtaining the correct abundance of dark matter today via thermal production requires a self-annihilation cross section of <συ> ≃ 3×10^(−26) cm^3 * s^−1, which is roughly what is expected for a new particle in the 100 GeV mass range that interacts via the electroweak force.

Was ist der physikalische Grund dafür ?


Besten Dank und freundliche Grüsse, Ralf

 

[albertus]

Was ist der physikalische Grund dafür ?

Kann sicher nur ein Teilchenphysiker einigermaßen beantworten. Ich kann nur spekulieren.

Unter der Annahme, dass es DM gibt - genügend Leute diskutieren weiterhin, dass es keine DM gibt - könnte man sagen:

Es wird neue Physik zur Erklärung und Verständnis der DM erwartet. Verständlich, da alle bisherigen Hypothesen nicht bestätigt werden konnten.
Neue Physik - neue Teilchen?
Neue Physik - neue Prozesse, Wechselwirkungen?
Annihilation kann also Platzhalter für einen bisher unbekannten Prozess/Wechselwirkung sein.

Mehr fällt mir dazu nicht ein.
Gruß, Astrofreund

 

[ralfkannenberg]

Annihilation kann also Platzhalter für einen bisher unbekannten Prozess/Wechselwirkung sein.

Hallo Astrofreund,

der Prozess der Annihilation ist eigentlich sehr wohl bekannt und wenn eine Selbst-Annihilation vorliegt, dann haben die Antiteilchen eines Teilchens dieselben Quantenzahlen wie die Teilchen selber. Man nennt solche Teilchen auch Majorana-Teilchen.

Beispielsweise ist noch nicht bekannt, ob Neutrinos solche Majorana-Teilchen sind, allerdings würde dies die Leptonenzahl-Erhaltung verletzen, wenn dem so wäre. Einige der WIMPs, konkret Teilchen des minimalen supersymmetrischen Standardmodell wie die Gluinos oder die Neutralinos sind solche Majorana-Teilchen, und ich wollte durch den neuen Thread "inspiriert" nur kurz fragen, was der physikalische Grund dafür ist, dass diese Teilchen Majorana-Teilchen sind. - Wobei ich an dieser Stelle nicht sicher bin, ob man die Gluinos auch zu den WIMPs zählt.

Wobei im Artikel selber ja die Möglichkeit genannt wird, dass diese im Artikel genannten Kandidaten der Dunklen Materie möglicherweise deswegen nicht bislang in der Nähe von galaktischen supermassiven Schwarzen Löchern gefunden wurden, weil sie eben nicht Majorana-Teilchen sind.


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[Bernhard]

Es wird neue Physik zur Erklärung und Verständnis der DM erwartet. Verständlich, da alle bisherigen Hypothesen nicht bestätigt werden konnten.

Vielleicht etwas in der Art der Super-WIMPS: https://de.wikipedia.org/wiki/WIMP#Super-WIMPs

Ich könnte mir auch vorstellen, dass Photonen mit sich selbst neue Teilchen bilden können, zB ein "Graviton". Die üblichen Erhaltungssätze sind damit erstmal vereinbar, wie zB die Drehimpulserhaltung. Daraus ergäbe sich dann die interessante Hypothese, dass DM überall dort bevorzugt gebildet wird, wo auch viel Licht ist ...

 

[Bernhard]

im Paper ist wie selbstverständlich die Rede davon, dass die DM-Teilchen selbst-annihilierend sind.

Hallo Ralf,

im paper (Seite 1, Absatz 2 Ende) findet man eine etwas andere Aussage:

The negative result in gamma-ray observations could be due to the following reasons: (1) the rest mass of dark matter particles is very large, (2) the annihilation cross section is very small, or (3) dark matter particles do not self-annihilate.

So wird die Suche nach Annihilationsstrahlung auch nur kurz in der Einleitung erwähnt und nicht weiter verwendet. Der eigentliche Nachweis der DM geht dann über die zeitliche Änderung von Umlaufgeschwindigkeiten. Die gemessenen Änderungen sind alleine über die Abstrahlung von Gravitationswellen nicht mehr erklärbar.

 

[Bernhard]

Ich könnte mir auch vorstellen, dass Photonen mit sich selbst neue Teilchen bilden können, zB ein "Graviton".

Dass zwei Photonen zu einem Higgs-Boson kombinieren können, weiß man ja mittlerweile vom LHC, wenn auch in umgekehrter zeitlicher Reihenfolge.

 

[Bernhard]

Daraus ergäbe sich dann die interessante Hypothese, dass DM überall dort bevorzugt gebildet wird, wo auch viel Licht ist ...

Wobei die Strahlungsenergie der leuchtenden Materie nicht ausreicht, um diese Schlussfolgerung zu begründen. Es bleibt aber auch noch die strahlungsdominierte Anfangsphase des Universums, welche dann für die Bildung großer Mengen an DM verantwortlich gemacht werden könnte.

 

[ralfkannenberg]

Hallo Ralf,

im paper (Seite 1, Absatz 2 Ende) findet man eine etwas andere Aussage:

Hallo Bernhard,

ich weiss und ich habe die 3.Option ja auch in einem späteren Beitrag von mir (#4) genannt.

Aber zuvor war im Artikel hiervon die Rede und genau darum ging bzw. geht es mir:

Based on this theoretical prediction, if dark matter can self-annihilate to give gamma-ray photons, one can expect that the annihilation gamma-ray signals would be greatly enhanced (...)

Und irgendwie müssen die Autoren ja die Idee gehabt haben, dass diese DM Teilchen Majorana-Teilchen sein könnten. Ebenso wie das in der Wikipedia ja auch so erwähnt wird. Und der physikalische Grund dafür, der inteerssiert mich.


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[Bernhard]

Und der physikalische Grund dafür, der inteerssiert mich.

Hallo Ralf,
mir fällt dazu nur ein, dass es den nicht zwingend geben muss. In der Forschung kann man jede Möglichkeit in Betracht ziehen. Wenn die zugehörigen Vorhersagen dann nicht bestätigt werden (in diesem Fall scheint das laut verlinktem paper der Fall zu sein), wird die Möglichkeit eben ausgeschlossen und man hat auch etwas gelernt.

Die Einführung von Majorana-Fermionen ist auch nicht streng physikalisch motiviert, sondern ergibt sich eher als Möglichkeit aufgrund der mathematischen Struktur der Dirac-Gleichung.

 

[ralfkannenberg]

Die Einführung von Majorana-Fermionen ist auch nicht streng physikalisch motiviert, sondern ergibt sich eher als Möglichkeit aufgrund der mathematischen Struktur der Dirac-Gleichung.

Danke Bernhard,

die Dirac-Gleichung war das Stichwort, das mir gefehlt hatte. Und ja, es sind dann eher mathematische Gründe, hier aber habe ich nur meine Frage ungenau gestellt, natürlich meinte ich mathematische bzw. physikalische Gründe. Der physikalische Grund dürfte dann derjenige sein, dass Anti-Teilchen die negativen Werte der Quantenzahlen der Teilchen selber haben.


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[ralfkannenberg]

im Paper ist wie selbstverständlich die Rede davon, dass die DM-Teilchen selbst-annihilierend sind.

Hallo zusammen.

ich habe das Paper bzw. den Letter nun mal etwas genauer angeschaut und es stellt sich heraus, dass de Frage, ob die DM-Teilchen selbst-annihilierend sind oder nicht, für den Letter und die Bestimmung dieser dark matter density spikes sowie das vorgeschlagene Dynamical Friction Model bei BH–LMXBs ("black hole low-mass X-ray binaries") nur von untergeordneter Bedeutung sind.

Sollten diese DM-Teilchen selbst-annihilierend sein, so lassen sich daraus und aus den Umlaufbahnen der Begleitsterne aber Massenobergrenzen für diese DM-Teilchen herleiten; die Details dazu befinden sich im Abschnitt 3.2 .


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[Bernhard]

Der physikalische Grund dürfte dann derjenige sein, dass Anti-Teilchen die negativen Werte der Quantenzahlen der Teilchen selber haben.

Ich erkläre mir das eher über eine Analogiebetrachtung, denn Annihilation bedeutet ja einfach Zerstrahlung von Teilchen und Antiteilchen in ein oder mehrere Photonen. Wenn nun Teilchen und Antiteilchen identisch sind, so wie bei den Majorana-Fermionen, so ist bei einem Feld aus mehreren Majorana-Fermionen automatisch eine Wahrscheinlichkeit für eine Annihilation zu erwarten.

 

[Bernhard]

Der physikalische Grund dürfte dann derjenige sein, dass Anti-Teilchen die negativen Werte der Quantenzahlen der Teilchen selber haben.

Ladung ist Null und sonst fallen mir als Quantezahlen für die freien "Teilchen" nur Energie und Impuls ein. Das Anti-Majorana-Fermion hat als mathematische Lösung zwar eine negative Energie, die aber dann noch über die Feynman-Stückelberg-Interpretation als Antiteilchen mit positiver Energie, umgekehrter zeitlicher Reihenfolge, Impuls und Parität gedeutet werden muss.

 

[ralfkannenberg]

Der physikalische Grund dürfte dann derjenige sein, dass Anti-Teilchen die negativen Werte der Quantenzahlen der Teilchen selber haben.

Hallo zusammen,

hier ist mir ein Fehler unterlaufen, denn für den Spin beispielsweise gilt das nicht, d.h. der ist bei Teilchen und Antiteilchen gleich.

Weitere Details in der Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Antiteilchen


Freundliche Grüsse, Ralf