Dunkle Materie macht 85 % des Universums aus. Warum können wir sie also nicht finden?

Der Autor oder die Quelle dieses Artikels oder seiner Originalveröffentlichung:

Offizielle Bokeyuan-Website: www.bokeyuan.net

Und mobile Software: Bo Ke Yuan

Wissenschaftler verwendeten Hohlraumheliostaten und rauscharme Josephson-parametrische Verstärker bei der Suche nach unsichtbarer Axion-Dunkle-Materie. Ein Hohlraumteleskop ist ein empfindliches Instrument, das dazu dient, die Halos um leuchtende Objekte oder andere physikalische Phänomene zu erkennen und zu untersuchen. Andererseits ist der Josephson-parametrische Verstärker ein technisches Werkzeug, mit dem sich die Quantenzustände von Mikrowellenlichtfeldern manipulieren lassen. In einer kürzlich in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Studie suchten Forscher im Halo der Milchstraße nach Dunkle-Materie-Axionen mit Massen zwischen 2,81 und 3,31 eV.

Die Ergebnisse dieser Suche können dazu beitragen, frühere theoretische Vorhersagen zu widerlegen und Informationen für zukünftige Suchen nach unsichtbarer Axion-Dunkle-Materie zu liefern. „Unsere Forschung wurde von zwei verschiedenen physikalischen Rätseln angetrieben, die beide durch die Entdeckung von Axion-Dunkle-Materie gelöst werden“, sagte der Co-Autor der Studie, Nick Du, ein Forscher an der University of Washington. „Das erste ist das Geheimnis der dunklen Materie.“ Erkenntnisse aus der physikalischen Forschung legen nahe, dass die allgemein als gewöhnliche Materie angesehene Materie nur etwa 15 % der Gesamtmasse des Universums ausmacht.

Die restlichen etwa 85 Prozent bestehen vermutlich aus Teilchen, die kein Licht absorbieren, emittieren oder reflektieren und daher mit herkömmlichen Techniken zur Untersuchung von Materie nicht nachgewiesen werden können. Diese nicht leuchtende Substanz, die als dunkle Materie bekannt ist, bleibt eines der größten Rätsel der modernen Physik, da die Forscher noch immer nicht sicher sind, ob sie existiert oder woraus sie besteht. Obwohl mit unterschiedlichsten Instrumenten zahllose Suchvorgänge nach dunkler Materie durchgeführt wurden, konnte diese mysteriöse Substanz bislang weder beobachtet noch nachgewiesen werden.

Eine mögliche Lösung für die Frage, was dunkle Materie sein könnte, kommt aus einem anderen Bereich der Physik, der Kernphysik, in Form eines weiteren Rätsels, das als starkes CP-Problem bekannt ist. Eine beliebte Lösung für das starke CP-Problem sagt die Existenz eines neuen Teilchens namens Axion voraus, dessen Eigenschaften es zu einem überzeugenden Kandidaten für dunkle Materie machen. Auf der Suche nach Axion-Dunkler Materie hofft die ADMX-Kollaboration, sowohl das starke CP-Problem als auch das Rätsel um die Natur der Dunklen Materie zu lösen. Das von den Forschern verwendete Hohlraumteleskop besteht aus einem Resonanzhohlraum, der in einem großen Magnetfeld platziert ist.

Theoretischen Vorhersagen zufolge sollten sich Dunkle-Materie-Axionen im Halo der Milchstraße mit dem Magnetfeld in der Kavität verbinden und Photonen erzeugen. Die Anzahl der erzeugten Photonen ist wahrscheinlich so gering, dass das resultierende Signal schwer zu erkennen ist. Durch Einstellen des inneren Resonanzhohlraums des Axion-Halo-Spiegels auf die gleiche Frequenz wie die Photonen kann jedoch die Anzahl der vom galaktischen Halo erzeugten Photonen erhöht werden. In mancher Hinsicht ähnelt die Suche nach Axion-Dunkle-Materie stark der Funktionsweise des Radios. Durch Einstellen der Radiofrequenz können Benutzer verschiedene Radiosender hören. In dieser Hinsicht war das Experiment ähnlich, außer dass die Frequenz unserer Station unbekannt war und das Signal viel schwächer war.

Die Suche nach Axionen aus dunkler Materie läuft bereits seit Jahrzehnten und Forscher haben inzwischen viele solcher Suchvorgänge mithilfe von Hohlraumteleskopen durchgeführt. Während es bislang unmöglich war, die unsichtbaren Axionen nachzuweisen, schließen die experimentellen Ergebnisse einen Bereich von Axionmassen aus, der zuvor von theoretischen Benchmarkmodellen zur Dunklen Materie der Axionen vorhergesagt wurde. Dies ist tatsächlich das zweite Mal, dass das Experiment eine solche Empfindlichkeit gegenüber Axion-Dunkle-Materie erreicht hat, aber dieses Mal hat es die Abdeckung der vorherigen Studie verdreifacht. Durch das Erreichen und Erhöhen dieser Empfindlichkeit hat die Forschung gezeigt, dass ADMX im Rahmen der fortgesetzten Suche eine der größten Hoffnungen für die Entdeckung von Axion-Dunkle-Materie darstellt.

Die von den Forschern gesammelten Beobachtungen könnten als Grundlage für zukünftige Suchen nach Axionen aus dunkler Materie dienen und gleichzeitig den Weg für neue theoretische Vorhersagen ebnen. Die Forscher führen nun eine neue Studie durch, um bei noch höheren Frequenzen nach Axion-Dunkler Materie zu suchen. Sollte diese Suche erfolglos bleiben, wollen die Forscher ihre Suche nach unsichtbaren Axionen bei höheren Frequenzen fortsetzen. Bei höheren Frequenzen wird es schwieriger, Axionen-Dunkle Materie zu erkennen, da die üblicherweise verwendeten Löcher nicht mehr so ​​empfindlich auf Axionen reagieren. Allerdings verfügen Wissenschaftler bereits über einige interessante Prototypen, um dieses Problem zu umgehen, etwa Experimente mit Mehrfachkavitäts-Arrays zur Suche nach Axion-Dunkler Materie.

Science X-Netzwerk | Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli/Phys

Referenzzeitschrift: Physical Review Letters

BoKeYuan｜Wissenschaft, Technologie, Forschung, Populärwissenschaft

Folgen Sie [Bokeyuan], um mehr über die schöne kosmische Wissenschaft zu erfahren