Hurrikan mit dunkler Materie gibt Axion-Partikeln bessere Chancen

Wir sind in einem Hurrikan, den wir nicht sehen können. Die Supermacht der Unsichtbarkeit beruht auf der Tatsache, dass sie aus dunkler Materie besteht.

Astroteilchenphysiker fanden einen hervorragenden Einsatz für diesen unsichtbaren Weltraum-Hurrikan: das Rätsel dessen lösen, was die geheimnisvolle Substanz ausmacht. In einem Papier vom 7. November in der Zeitschrift veröffentlicht Physics Review D Forscher der Universidad de Zaragoza, des King’s College London und des britischen Institute of Astronomy sagen höhere Chancen für die Erkennung dunkler Materie voraus, indem sie detaillierte Satellitendaten über die Bewegungen der Sterne nutzen.

Eine Erinnerung daran, dass die Menschheit ein Tropfen im Eimer des Universums ist

Die von der Menschheit beobachtete Gesamtsumme der normalen Masse - Ihre Katze, die Sonne, eine Tidenhülse - macht weniger als fünf Prozent des Universums aus. Ungefähr 68 Prozent sind dunkle Energie und die letzten 27 Prozent sind dunkle Materie. Nur ein dunkler Raum aus "Who-know-what", der möglicherweise die beschleunigte Expansion des Universums vorantreibt. Von den aktuellen Theorien bevorzugen Wissenschaftler WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) oder Axionen als Rätselpartikel.

Wir schwimmen im Grunde in dem Zeug, das Wissenschaftler wie Ciaran A. J. O'Hare, ein theoretischer Postdoc an der Universität von Zaragoza und der erste Autor der Studie, "dunklen Materiewind" nennen.

"Der Grund, warum wir diesen Satz verwenden, ist, dass wir in einen Halo aus dunkler Materie eingebettet sind und sich in der galaktischen Scheibe (diesem rotierenden Rad aus Sternen und Gas) drehen, aber der Halo ist sehr unterschiedlich", erzählt O'Hare Inverse. "Es gibt keine Scheibe aus dunkler Materie, keine bevorzugte Rotation, die einfach in zufällige Richtungen summt."

Im Grunde wissen wir vielleicht nicht, was das Teilchen ist, aber da wir wissen, in welche Richtung wir uns drehen, können Wissenschaftler wie O'Hare bestimmen, woher dunkle Materie kommen sollte, wo sich Sternströme befinden - die Überreste von Zwerggalaxien der himmel - komm rein.

"Streams sind wirklich generische Vorhersagen darüber, wie wir Galaxien verstehen sollen", sagt O'Hare. Die meisten Datenströme sind klein und klein, aber eine Fülle von umfangreichen Daten, die der Gaia-Satellit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) zur Entfernung und Geschwindigkeit von über einer Milliarde Sternen gesammelt hat, liefert den Forschern die erforderlichen Details, um Stromflüsse zu identifizieren, die mit dem menschlichen Auge kaum zu sehen sind. Wissenschaftler wissen außerdem, dass diese Überreste der Zwerggalaxie mit dunkler Materie kommen.

Der dank Gaia identifizierte S1-Strom stürmt aus zwei Gründen als Hurrikan.

"Das Bemerkenswerte an der S1 ist, dass wir nicht nur drinnen sitzen, sondern die Richtung, in die wir gehen, ist das Gegenteil. Wir bewegen uns stromaufwärts", erklärt O'Hare. "Beim Testen darauf, wenn wir dunkle Materie sehen, wenn der S1-Stream vorhanden ist, können wir besonders sicher sein, dass das Signal, das wir gesehen haben, dunkle Materie ist, weil wir es mit diesem Objekt verknüpfen können, das wir im Weltraum sehen können."

Wie erkennen wir dunkle Materie?

Trotz der Tatsache, dass dunkle Materie unserer Galaxie ins Gesicht schlägt, stellt die Erkennung eine Herausforderung dar. Experimente erzeugen normalerweise eine Kollision und messen die Energie-, Licht- oder Wärmestreuung. In früheren Experimenten, die auf WIMPs abzielten, wurde die Streuung im Nanometerbereich untersucht, und das Fenster der nachweisbaren Energie blieb schmal. Um einen klareren Beweis für den Strom zu erhalten, entschied sich die Gruppe für die Suche nach verschiedenen hypothetischen Teilchen, Axionen, unter experimentellen Bedingungen, die es ihnen ermöglichen, Streuungen im Millimeterbereich (immer noch klein, aber nachweisbar) mit einer viel höheren Erfolgschance zu suchen.

Aktuelle Experimente versuchen laut O’Hare in zwei Richtungen aufzusteigen. Einige Forscher machen das Experiment so groß wie möglich, um den Partikeln mehr Interaktion zu ermöglichen. Auf der anderen Seite treten exponentiell mehr Energieereignisse für dunkle Materie bei niedrigeren Energieniveaus auf, was das Lesen kleinerer und kleinerer Signale erfordert.

Trotz der Herausforderungen befindet sich der S1-Strom an einer vielversprechenden Kreuzung. "Die Hauptsache am S1-Stream ist, dass es uns im Grunde eine andere Sache gibt, nach der wir suchen müssen", sagt O'Hare. „Es ist die Schnittstelle zwischen Astronomie und Teilchenphysik. Es ist das, was die Astronomie über die Teilchenphysik und die Teilchenphysik die Astronomie erzählen kann."