Zwei Experimente kommen der Entdeckung dessen näher, woraus ein Großteil des Universums besteht
Wissenschaftler glauben, dass über ein Viertel des Universums aus dunkler Materie besteht. Da sie jedoch aus einer Substanz besteht, die kein Licht absorbiert, reflektiert oder emittiert, ist dunkle Materie extrem schwer zu finden. Tatsächlich schweigt das Standardmodell — die beste wissenschaftliche Theorie über die Bausteine des Universums und deren Wechselwirkungen — auf diesem Gebiet rätselhaft.
Die Ergebnisse von zwei Experimenten könnten jedoch neue Einblicke geben: eines, das die Vorhersagen des Standardmodells widerlegt, und das andere, das potenzielle Teilchen der dunklen Materie entdeckt, wenn sie mit gewöhnlichen Atomen kollidieren.
"Myonen könnten mit dunklen Teilchen oder anderen Energieformen interagieren, die der Wissenschaft derzeit nicht bekannt sind."
Wackelnde Myonen
Das Muon-g-2-Experiment, das am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) durchgeführt wurde, lieferte weitere Hinweise darauf, dass sich subatomare Teilchen, sogenannte Myonen, möglicherweise nicht an die Vorhersagen des Standardmodells halten.
Ein Myon ist wie ein Elektron, aber etwa 200-mal massereicher. Außerdem verhält sich ein Myon wie ein Elektron, als hätte es einen internen Magneten. Wenn es sich durch ein Magnetfeld bewegt, dreht und wackelt das Myon wie die Achse eines Kreiselspiels.
Im Muon-g-2-Experiment bewegen sich die Myonen immer wieder um einen 50 Fuß breiten Ring — eine Art magnetische Bahn. Während sie durch das Magnetfeld reisen, können ihre Oszillationen präzise gemessen werden. Diese Ergebnisse werden mit den vorhergesagten Werten verglichen. Das Experiment bestätigte eine Standardabweichung von 4,2 gegenüber den Vorhersagen des Standardmodells. Die Diskrepanz könnte bedeuten, dass das Myon mit Partikeln oder anderer Energie interagiert, die der Wissenschaft bisher unbekannt ist — eine Entdeckung, die ein breiteres Fenster zu kosmischen Geheimnissen wie der Dunklen Materie öffnen könnte.
Entdeckung durch Ablenkung
Im Gran Sasso Nationallabor in Italien sucht das XENONnT-Experiment nach dunklen Partikeln, indem es die Lichtblitze erkennt, die sie erzeugen können, wenn sie von Xenonatomen abgelenkt werden.
Das Experiment verwendet mehr als acht Tonnen flüssiges Xenon. Sollte eine dunkle Partikel mit dem Xenon kollidieren, wird ein Elektron freigesetzt. Dieses Ereignis erzeugt einen Lichtblitz, der von einer Reihe von Photomultipliern, die das flüssige Becken umgeben, detektiert werden kann. Die Instrumente können sogar ein einzelnes Photon erkennen, das durch die Ablenkung einer dunklen Partikel freigesetzt wird.
Die Forschenden nutzen die Ablenkung von Partikeln, um nach schwach wechselwirkenden massiven Teilchen (WIMPs) zu suchen. Leider wurde bisher keines entdeckt, doch der Nutzen kann sowohl in der Eliminierung von Kandidaten für dunkle Partikel als auch in deren tatsächlicher Entdeckung liegen.
“Man beginnt, sich den Kopf zu zerbrechen und zu denken, vielleicht hat man auf das falsche Pferd gesetzt”, sagte der Physiker Rafael Lang in Scientific American über die Suche nach WIMPs. Aber er bleibt optimistisch: “Wenn man vor 10 Jahren an WIMPs geglaubt hat, ist nur die Hälfte dieser WIMPs ausgeschlossen. Die andere Hälfte lebt noch.”
Weitere Möglichkeiten
WIMPs und die Kräfte, die die Myonenwackler verursachen, sind nur zwei mögliche dunkle Teilchen. Laut Scientific American gibt es weitere Möglichkeiten, darunter ein theoretisches Teilchen namens Axion. Dunkle Materie könnte auch aus zusammengesetzten Teilchen bestehen. Eine weitere Möglichkeit ist, dass sie überhaupt nicht aus Teilchen besteht, sondern aus Schwarzen Löchern. Welche Antworten auch immer zutreffen, die Experimente Muon g-2, XENONnT und ähnliche werden weiterhin die Suche nach dieser geheimnisvollen Materie unterstützen.
Mark Miller ist Content-Redakteur bei Thermo Fisher Scientific.
References
1. Moskowitz, C. (2021, April 1). Dark Matter’s Last Stand. Scientific American. https://www.scientificamerican.com/article/dark-matters-last-stand
Dieser Inhalt wurde teilweise inspiriert von „Dark matter,“ CERN; „Long-Awaited Muon Measurement Boosts Evidence for New Physics,“ Scientific American; „First results from Fermilab’s Muon g-2 experiment strengthen evidence of new physics,“ Fermilab; „A Tiny Particle’s Wobble Could Upend the Known Laws of Physics,“ The New York Times; „The muon g-2 experiment might mean the Standard Model of physics is incomplete, but that’s just the beginning,“ Massive Science; und „Dark Matter’s Last Stand,“ Scientific American.