Neue Forschungen von Chalmers in Zusammenarbeit mit der ETH Zürich in der Schweiz legen einen vielversprechenden Weg nahe, schwer fassbare Partikel der dunklen Materie durch bisher unerforschte atomare Reaktionen im Detektormaterial nachzuweisen.
Die neuen Berechnungen ermöglichen es Theoretikern, detaillierte Vorhersagen über die Art und Stärke von Wechselwirkungen zwischen dunkler Materie und Elektronen zu treffen, die bisher nicht möglich waren.
„Unsere neue Untersuchung dieser atomaren Reaktionen zeigt Materialeigenschaften auf, die bisher verborgen geblieben sind. Sie konnten mit keinem der heute verfügbaren Teilchen untersucht werden – nur dunkle Materie konnte sie enthüllen “, sagt Riccardo Catena, Associate Professor am Institut für Physik in Chalmers.
Für jeden im Weltraum sichtbaren Stern, jede Galaxie oder jede Staubwolke gibt es fünfmal mehr unsichtbares Material – dunkle Materie. Die Entdeckung von Wegen zum Nachweis dieser unbekannten Teilchen, die einen so bedeutenden Teil der Milchstraße bilden, hat daher in der Astroteilchenphysik höchste Priorität. Bei der globalen Suche nach dunkler Materie wurden große Detektoren tief unter der Erde gebaut, um zu versuchen, die Partikel aufzufangen, wenn sie von Atomkernen abprallen.
Bisher sind diese mysteriösen Partikel der Entdeckung entgangen. Laut den Chalmers-Forschern könnte eine mögliche Erklärung darin bestehen, dass Teilchen der Dunklen Materie leichter als Protonen sind und dadurch keinen Rückstoß der Kerne verursachen – stellen Sie sich eine Tischtenniskugel vor, die in eine Bowlingkugel kollidiert. Ein vielversprechender Weg, um dieses Problem zu überwinden, könnte daher darin bestehen, den Fokus von Kernen auf Elektronen zu verlagern, die viel leichter sind.
In ihrer jüngsten Arbeit beschreiben die Forscher, wie Teilchen der dunklen Materie mit den Elektronen in Atomen interagieren können. Sie legen nahe, dass die Geschwindigkeit, mit der dunkle Materie Elektronen aus Atomen herauswerfen kann, von vier unabhängigen atomaren Reaktionen abhängt – von denen drei zuvor nicht identifiziert wurden. Sie haben berechnet, wie Elektronen in Argon- und Xenonatomen, die in den größten Detektoren von heute verwendet werden, auf dunkle Materie reagieren sollten.
Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift Physical Review Research veröffentlicht und in einer neuen Zusammenarbeit mit der Festkörperphysikerin Nicola Spaldin und ihrer Gruppe an der ETH durchgeführt. Ihre Vorhersagen können jetzt in Observatorien für dunkle Materie auf der ganzen Welt getestet werden.
„Wir haben versucht, so viele Zugangsbarrieren wie möglich zu beseitigen. Das Papier wird in einem vollständig Open-Access-Journal veröffentlicht, und der wissenschaftliche Code zur Berechnung der neuen atomaren Antwortfunktionen ist Open Source für alle, die einen Blick unter die Haube unseres Papiers werfen möchten “, sagt Timon Emken, Postdoktorand in der Gruppe der Dunklen Materie am Institut für Physik in Chalmers.
Woraus besteht das Universum? Diese Frage fasziniert die Menschheit seit Jahrtausenden. Dennoch bleibt es weitgehend unbeantwortet, da mehr als drei Viertel der Materie in unserem Universum aus Partikeln bestehen, die so schwer zu fassen sind, dass wir nicht wissen, was sie sind. Diese Teilchen werden dunkle Materie genannt und emittieren oder absorbieren keine Strahlung bei beobachtbaren Wellenlängen. Der Nachweis unbekannter Partikel hat für Wissenschaftler weltweit höchste Priorität. Um dunkle Materie zu detektieren, suchen die Forscher nach seltenen Wechselwirkungen zwischen dunkler Materie und Elektronen in tiefen unterirdischen Detektoren mit niedrigem Hintergrund.
Es gibt unbestreitbare Beweise für das Vorhandensein dunkler Materie in unserem Universum. Die Evidenz basiert auf der Beobachtung unerwarteter Gravitationseffekte in extrem unterschiedlichen physikalischen Systemen, einschließlich Galaxien, Galaxienhaufen, dem kosmischen Mikrowellenhintergrund und der großräumigen Struktur des Universums. Während der europäische Weltraumsatellit Planck schlüssig gezeigt hat, dass dunkle Materie etwa 85 Prozent aller Materie im Universum ausmacht, bleibt ihre Natur ein Rätsel.
