(Dhaval Brahmbhatt/Getty Images) Wissenschaftler finden endlich heraus, wie viel Dunkle Materie – das kaum wahrnehmbare Material, das angeblich an allem zieht, aber kein Licht abgibt – wiegt wirklich.
Die neue Schätzung hilft dabei, herauszufinden, wie schwer die Partikel sein könnten – und hat Auswirkungen darauf, was das mysteriöse Material tatsächlich ist.
Die Forschung schränkt die potenzielle Masse von stark ein Dunkle Materie Teilchen, von geschätzten 10^minus 24 Elektronenvolt (eV) bis 10^19 Gigaelektronenvolt (GeV) bis zwischen 10^minus 3 eV und 10^7eV – ein möglicher Massenbereich, der viele Billionen Mal kleiner ist als zuvor .
Die Ergebnisse könnten Forschern, die nach dunkler Materie suchen, dabei helfen, ihre Bemühungen auf den angegebenen Bereich der Teilchenmassen zu konzentrieren – oder sie könnten enthüllen, dass eine bisher unbekannte Kraft im Universum am Werk ist, sagte Xavier Calmet, Professor für Physik und Astronomie an der University of Sussex Großbritannien.
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Calmet beschrieb zusammen mit dem Doktoranden Folkert Kuipers, ebenfalls von der University of Sussex, ihre Bemühungen in einer neuen Studie, die in der Märzausgabe von veröffentlicht wird Physische Buchstaben B .
Was ist dunkle Materie?
Schätzungen zufolge macht Dunkle Materie etwa 83 Prozent der gesamten Materie im Universum aus. Es wird angenommen, dass es nur durch die Schwerkraft mit Licht und gewöhnlicher Materie interagiert, was bedeutet, dass es nur an der Art und Weise gesehen werden kann, wie es Lichtstrahlen krümmt.
Astronomen fanden die ersten Hinweise auf dunkle Materie, als sie in den 1930er Jahren einen Galaxienhaufen betrachteten, und Theorien, dass Galaxien von riesigen Halos aus dunkler Materie durchzogen und von solchen gesäumt sind, wurden nach den 1970er Jahren zum Mainstream, als Astronomen erkannten, dass Galaxien schneller wirbeln, als sie sonst sollten , wenn man bedenkt, wie viel sichtbare Materie sie enthielten.
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Mögliche Kandidaten für Teilchen der Dunklen Materie sind geisterhafte, winzige Teilchen, sogenannte Neutrinos , theoretische dunkle, kalte Teilchen, bekannt als Axionen, und vorgeschlagene schwach wechselwirkende massive Teilchen oder WIMPs.
Die neuen Massengrenzen könnten dazu beitragen, einige dieser Kandidaten zu eliminieren, abhängig von den Details des spezifischen Modells der Dunklen Materie, sagte Calmet.
Quantengravitation
Was Wissenschaftler wissen, ist, dass dunkle Materie offenbar nur über die Schwerkraft mit Licht und normaler Materie interagiert, nicht aber über andere Grundkräfte ; Daher nutzten die Forscher Gravitationstheorien, um ihre geschätzte Reichweite für die Massen der Teilchen der Dunklen Materie zu ermitteln.
Wichtig ist, dass sie Konzepte aus Theorien der Quantengravitation verwendeten, was zu einem viel engeren Bereich führte als die vorherigen Schätzungen, die nur Einsteins allgemeine Theorie verwendeten Relativität .
„Unsere Idee war sehr einfach“, sagte Calmet in einer E-Mail gegenüber WordsSideKick.com. „Es ist erstaunlich, dass die Leute noch nie darüber nachgedacht haben.“
Einsteins Theorie von generelle Relativität basiert auf der klassischen Physik; Es sagt die Funktionsweise der Schwerkraft in den meisten Fällen perfekt voraus, bricht jedoch unter extremen Umständen zusammen, in denen quantenmechanische Effekte bedeutsam werden, beispielsweise bei der Zentrum eines Schwarzen Lochs .
Theorien der Quantengravitation hingegen versuchen die Schwerkraft durch die Quantenmechanik zu erklären, die bereits die anderen drei bekannten Grundkräfte beschreiben kann – die elektromagnetische Kraft, die starke Kraft das die meiste Materie zusammenhält, und das schwache Kraft das verursacht radioaktiven Zerfall.
Für keine der Quantengravitationstheorien gibt es jedoch bislang überzeugende Beweise, die sie stützen.
Calmet und Kuipers schätzten die Untergrenze für die Masse eines Teilchens der Dunklen Materie anhand von Werten aus der Allgemeinen Relativitätstheorie und schätzten die Obergrenze anhand der durch Quantengravitationstheorien vorhergesagten Lebensdauern der Teilchen der Dunklen Materie.
Die Art der Werte aus der allgemeinen Relativitätstheorie definierte auch die Art der Obergrenze, sodass sie eine Vorhersage ableiten konnten, die unabhängig von einem bestimmten Modell der Quantengravitation war, sagte Calmet.
Die Studie ergab, dass Quantengravitationseffekte zwar im Allgemeinen nahezu unbedeutend waren, sie jedoch wichtig wurden, als ein hypothetisches Teilchen der Dunklen Materie extrem lange zum Zerfall brauchte und das Universum ungefähr so alt war wie heute (ungefähr 13,8 Milliarden Jahre), sagte er .
Zuvor schätzten Physiker, dass Teilchen der Dunklen Materie leichter sein müssten als die „Planck-Masse“ – etwa 1,2 x 10^19 GeV, also mindestens 1.000 Mal schwerer als die größten bekannten Teilchen – und dennoch schwerer als 10^minus 24 eV Beobachtungen der kleinsten Galaxien, von denen bekannt ist, dass sie dunkle Materie enthalten, sagte er.
Aber bis jetzt hätten nur wenige Studien versucht, den Bereich einzugrenzen, obwohl in den letzten 30 Jahren große Fortschritte beim Verständnis der Quantengravitation gemacht worden seien, sagte er. „Die Menschen haben sich bisher einfach nicht mit den Auswirkungen der Quantengravitation auf dunkle Materie befasst.“
Unbekannte Kraft
Calmet sagte, die neuen Grenzen für die Massen der Teilchen der Dunklen Materie könnten auch verwendet werden, um zu testen, ob Schwere allein mit dunkler Materie interagiert, was weithin angenommen wird, oder wenn dunkle Materie von einer unbekannten Naturkraft beeinflusst wird.
„Wenn wir ein Teilchen aus dunkler Materie mit einer Masse außerhalb des in unserer Arbeit besprochenen Bereichs gefunden hätten, hätten wir nicht nur dunkle Materie entdeckt, sondern auch einen sehr starken Beweis dafür, dass … es eine neue Kraft jenseits der Schwerkraft gibt, die auf dunkle Materie einwirkt“, sagte er.
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