Schlagwort: Teilchenphysik

Dunkle Energie gilt als eines der größten Mysterien unseres Kosmos – nun könnte der historische Nachweis eines Dunkle-Energie-Partikels gelungen sein.

Um den Unterschied zwischen Dunkler Energie und Dunkler Materie klären, muss man ganz am Anfang beginnen. Vor 13,8 Milliarden Jahren entstand das Universum aus dem Nichts in einer sogenannten Singularität und begann dann zu expandieren. Erst war es ganz klein, dann immer größer und größer und größer. Bis heute. Das ist die Urknall-Theorie. Nun würde man vermuten, dass die Expansion des Weltraums irgendwann nachlassen würde. Denn je länger der Urknall her ist, desto mehr schwächt sich seine Energie ab und desto langsamer müsste der Weltraum wachsen und irgendwann dann sogar wieder schrumpfen. Wie ein Luftballon, in den einmal heftig reingepustet wird und irgendwann ist im wahrsten Sinne des Wortes die Luft raus. Beobachtungen zeigen aber eine ganz andere Realität: Der Weltraum wird immer schneller immer größer. Die Expansion verlangsamt sich nicht, sie beschleunigt sich. Also muss es noch irgendeine weitere Kraft neben der ursprünglichen Energie des Urknalls geben, die den Kosmos zum wachsen bringt. Und da niemand eine konkrete Idee hat, was das für eine Kraft sein könnte, nennt man sie Dunkle Energie. In einem Satz könnte man also sagen: Die Dunkle Energie ist eine noch nicht näher bestimmbare Kraft, die die Expansion des Kosmos vorantreibt. 

Und Dunkle Materie? Innerhalb von kleineren Bereichen des Kosmos, zum Beispiel unserem Sonnensystem oder auch unserer Galaxis, spielt die Expansion des Kosmos keine Rolle. Zum Glück! Man stelle sich vor, wir würden von der Erde weg expandieren – oder unser Sonnensystem würde aus der Milchstraße raus expandieren.Der Grund dafür, dass innerhalb kleinerer Bereiche nichts expandiert, ist, dass hier die Schwerkraft, die Gravitation stärker ist als die Expansion. In unserer Milchstraße beispielsweise überwiegt die Schwerkraft der Sternsysteme, Schwarzen Löcher und anderer Himmelskörper untereinander die Expansion des Universums und deswegen hält die Milchstraße zusammen. Aber jetzt kommt ein kleines Problem: Wissenschaftliche Berechnungen haben ergeben, dass die Schwerkraft der Objekte in unserer Galaxis eigentlich gar nicht ausreicht, um das ganze Gebilde zusammenzuhalten. Wenn man nur die sichtbaren Himmelskörper unserer Galaxis miteinberechnet, müsste die Gravitation eigentlich so schwach sein, dass die Milchstraße von der Expansion und der Dunklen Energie zerrissen würde. Wird sie aber offensichtlich nicht. Also gibt es scheinbare eine ominöse Kraft, die ähnlich wie die Schwerkraft Objekte zusammenhält. Da man auch hier keine konkrete Idee hat, was diese Kraft genau ist, nennt man sie Dunkle Materie. Zusammengefasst: Dunkle Materie ist eine ominöse Kraft, die Dinge zusammenhält, Dunkle Energie ist eine ominöse Kraft, die Dinge auseinander treibt. 

Wie lässt sich mehr über Dunkle Materie und Dunkle Energie herausfinden? in Italien wurde zu diesem Zwecke das XENON Dark Matter Project gestartet. Xenon1T ist ein Instrument, das Dunkle Materie nachweisen soll und steht im Laboratori Nazionali del Gran Sasso, ein unterirdisches High-Tech-Labor. Die Laborräume liegen 1.400 Meter unterirdisch unter dem Gran Sasso Gebirge, da sie dort von kosmischer Strahlung abgeschirmt ist, die man an der Erdoberfläche nicht verhindern kann. Für die Suche nach Dunkler Materie ist es aber essentiell, dass man diese störende kosmische Strahlung ausblenden kann. Die dort forschende Wissenschaftlerin Dr. Sunny Vagnozzi beschreibt das Projekt so:

“Obwohl beide Komponenten unsichtbar sind, wissen wir viel mehr über die dunkle Materie, da ihre Existenz bereits in den 1920er Jahren vermutet wurde, während die dunkle Energie erst 1998 entdeckt wurde. Groß angelegte Experimente wie XENON1T wurden entwickelt, um dunkle Materie direkt aufzuspüren, indem nach Anzeichen dafür gesucht wird, dass dunkle Materie auf gewöhnliche Materie trifft.”

– Dr. Sunny Vagnozzi

Das Instrument besitzt zwei Kammern, die mit flüssigem und gasförmigen Xenon, einem speziellen chemischen Element, gefüllt sind. Xenon eignet sich mutmaßlich besonders gut zur Detektion von Dunkle-Materie-Teilchen, da es eine sehr hohe Dichte besitzt. Wenn ein Dunkle-Materie-Teilchen, auch genannt WIMP, das steht für weakly interacting massive particles, also schwach wechselwirkende massereiche Teilchen, dann mit dem Xenon kollidiert, erhofft man sich eine Reaktion, die man messen kann um so mehr über Dunkle Materie herauszufinden. Bei der Auswertung von Labordaten aus dem vergangenen Jahr stieß man auf etwas, das man absolut nicht erwartet hatte – nämlich nicht auf Dunkle Materie, sondern auf Dunkle Energie. 

Wie kann man versehentlich auf die expansive Dunkle Energie stoßen, wenn man eigentlich nach der zusammenhaltenden Dunklen Materie sucht? Zunächst ist den Forschern ein ungewöhnlich starkes Signal aufgefallen das von Xenon1T gemessen wurde und das sich von allem unterschied, das man bei einer Reaktion mit einem WIMP-Teilchen erwarten würde. Dr. Luca Visinelli, der an der Entdeckung beteiligt war, sagt:

“Solche Exzesse sind oft Zufallstreffer, aber hin und wieder können sie auch zu grundlegenden Entdeckungen führen. Wir haben ein Modell untersucht, bei dem dieses Signal auf dunkle Energie zurückzuführen sein könnte und nicht auf die dunkle Materie, für deren Nachweis das Experiment ursprünglich konzipiert wurde. Es war wirklich überraschend, dass dieser Überschuss im Prinzip durch dunkle Energie und nicht durch dunkle Materie verursacht worden sein könnte. Wenn die Dinge so zusammenpassen, ist das wirklich etwas Besonderes.”

– Dr. Luca Visinelli

Die Forscher gingen zunächst davon aus, dass dieses Exzess-Signal durch ein sogenanntes Axion ausgelöst wurde. Ein Axion ist ein spezielles Elementarteilchen ohne elektrische Ladung und ohne Eigendrehimpuls, wie ihn andere Teilchen aufweisen. Das Axion ist allerdings auch noch höchst hypothetisch. Die Entdeckung eines Axions wäre daher auch revolutionär gewesen. Allerdings wäre eine derart große Masse an Axionen nötig gewesen, um das von Xenon1T observierte Signal zu erklären, dass dies im Prinzip alle unsere astrophysikalischen Erkenntnisse über die Teilchenentstehung in Sternen ad absurdum geführt hätte. Diese Erklärung erscheint also nicht sonderlich plausibel. Die Forscher entwickelten eine noch spektakulärerer These: Das entdeckte Signal könnte durch ein Dunkle-Energie-Teilchen verursacht worden sein! Obwohl die Dunkle Energie eigentlich nur in sehr großen Maßstäben da sein sollte, könnte sie sich in den lokaleren Bereich des Weltraums, der ja eigentlich von der Gravitation und der Dunklen Materie beherrscht wird, einschleichen und sich gut verstecken – wie ein kosmisches Chamäleon.

Deswegen hat das Forscherteam ein physikalisches Modell entwickelt, um diese Zeichen von Dunkler Energie genauer zu untersuchen – das Modell trägt passenderweise den Namen Chamäleon. Das Chamäleon-Screening soll nachweisen, ob die These der Forscher stimmt. Diese These ist ziemlich revolutionär und lautet, dass in einem bestimmten Bereich der Sonne, der sogenannten Tachocline-Region, Dunkle Energie produziert wird, was etwas damit zu tun haben könnte, dass dort das Magnetfeld besonders stark ist. Unsere Sonne selbst könnte also in kleinen Mengen die geheimnisvolle Kraft erzeugen, die das Universum zum Expandieren bringt.

Ob das wirklich so ist, kann man erst sagen, wenn die Messung mit dem Xenon1T-Instrument wiederholt werden kann. Das Instrument soll in Zukunft noch einige Upgrades bekommen und gemeinsam mit anderen Projekten dieser Art wie beispielsweise den WIMP-Detektoren LUX-Zeplin in den USA und PandaX-xT in China will man dies dann verifizieren. Es scheint also so, als würden ironischerweise plötzlich alle Projekte zur Suche nach Dunkler Materie nun auf die Jagd nach Dunkler Energie umschwenken. Die nahe Zukunft wird dann zeigen, ob die Messung im italienischen Untergrundlabor ein Messfehler war oder ob wir hier wirklich Dunkle Energie gefunden haben.

Noch mehr Informationen zum Mysterium der Dunklen Energie gibt es in diesem Video:

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