Dunkle Materie – Physiker suchen mit PADME nach „dunklem Photon“

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Symbolbild: Dunkles Photon (Illu.). Copyright: grenzwissenschaft-aktuell.de

Frascati (Italien) – An den Laboratori Nazionali di Frascati (INFN) wollen italienische Physiker mit Hilfe des Nachweises eines „dunklen Photons“ die bislang zwar hypothetisch vom Standardmodell vorhergesagte aber immer noch nicht nachgewiesene Dunkle Materie aufspüren. Sollte das Experiment erfolgreich sein, wäre zudem auch eine bislang noch nicht beschriebene fünfte physikalischen Fundamentalkraft nachgewiesen.

Wie das INFN berichtet, handelt es sich bei einem „dunklen Photon“ um ein bislang nur hypothetisch angenommenes Teilchen, dass den bekannten Photonen elektromagnetischer Wellen (also den Wechselwirkungsteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung) zwar gleicht, im Gegensatz zu diesen aber eine – wenn auch nur geringe – Masse besitzt.

Grundlage für das Experiment ist die Hypothese dass Dunkle Materie eine bislang unbekannten fünften Grundkraft der Physik unterworfen sein könnte, wie sie bislang noch nicht von den vier bekannten Grundkräften (Gravitation, Elektromagnetismus, schwache und starke Kernkraft) beschrieben wurde und wie sie sich durch die Existenz eines Dunklen Photons offenbaren würde.

Hintergrund: Dunkle Materie
Außer mit der Schwerkraft, soll sogenannte Dunkle Materie weder mit normaler Materie und selbst nicht mit dem Licht interagieren – aber dennoch rund 23-27 Prozent der Materie unseres Universums ausmachen. Ihre Existenz wird im Standardmodell der Kosmologie vorwiegend damit begründet, dass die Rotation von Sternen um das Zentrum ihrer Galaxie ansonsten nicht wie beobachtet erfolgen könnte: Tatsächlich ist diese Geschwindigkeit in den Außenbereichen deutlich höher, als man es allein auf Grund der Gravitation der Sterne, Gas- und Staubwolken erwarten würde. Bislang fehlt jedoch jeglicher direkte Nachweis ihrer Existenz und es gibt es trotz intensiver Suche keinerlei Anzeichen, um welche Teilchen es sich dabei handeln könnte.

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Unter normalen Umständen sollten kollidierende Elektronen und Anti-Elektronen, sogenannte Positronen einander entweder auslöschen und dabei ein Paar gewöhnlicher (sichtbarer) Photonen erzeugen. Sollte es aber auch „dunkle Photonen“ geben, so sollte bei den herbeigeführten Kollisionen und aus den darauf folgenden Auslöschungen nur ein sichtbares und eben ein (unsichtbares) „dunkles“ Photon hervorgehen.

Das PADME-Instrument. Copyright: inf.infn.it

In den kommenden Wochen soll im PADME-Experiment (Positron Annihilation into Dark Matter Experiment) versucht werden durch die Kollision von Elektronen und Positronen in einem Diamantgitter „dunkle Photonen“ gemeinsam mit einem einzelnen sichtbaren Photon entstehen zu lassen.
Sollte das Experiment erfolgreich sein und nur ein sichtbares Photon aus der Kollision hervorgehen, wollen die Wissenschaftler anhand der genauen Eigenschaften dieses sichtbaren Photons auf die seines unsichtbaren bzw. dunklen Begleiters, grundsätzlich zunächst einmal auf dessen Existenz und dann auf seine Masse (die es u.a. von gewöhnlichen Photonen unterscheidet) –  rückschließen. Für das PADME-Instrument (s. Abb. l.) wird es in diesem Fall den Anschein haben, als sei ein Teil der erwarteten und messbaren Photonenenergie einfach und regelrecht verschwunden.

Damit hätten die PADME-Wissenschaftler dann nicht nur ein neuen Teilchen sondern also auch eine völlig neue Grundkraft nachgewiesen, denn sollten „dunkle Photonen“ existieren, wären diese eine Manifestation dieser fünften Grundkraft, des sogenannten Dunklen Elektromagnetismus.

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