Eine neue Analyse von einem Physikerteam bietet eine innovative Möglichkeit zur Voraussage kosmologischer Signaturen für Dunkle-Materie-Modelle. Das Team hat eine Methode entwickelt, um die Zusammensetzung von Dunkler Materie vorherzusagen. Dunkle Materie ist unsichtbare Materie, die nur durch ihre gravitative Wirkung auf normale Materie registriert wird und deren Nachweis von Wissenschaftlern lange gesucht wird.
Die Studie erscheint im Journal Physical Review Letters und konzentriert sich auf die Vorhersage kosmologischer Signaturen für Dunkle-Materie-Modelle mit einer Masse zwischen der eines Elektrons und der des Protons. Frühere Methoden hatten ähnliche Signaturen für einfachere Dunkle-Materie-Modelle vorhergesagt. Diese Studie etabliert neue Möglichkeiten, um diese Signaturen in komplexeren Modellen zu finden, nach denen Experimente weiterhin suchen, so die Autoren.
„Experimente, die nach Dunkler Materie suchen, sind nicht die einzige Möglichkeit, um mehr über diesen rätselhaften Materietyp zu erfahren“, sagte Cara Giovanetti, eine Doktorandin am Department of Physics der New York University und die Hauptautorin der Studie.
„Präzisionsmessungen verschiedener Parameter des Universums, beispielsweise die Menge des Heliums im Universum oder die Temperaturen verschiedener Teilchen im jungen Universum, können uns auch viel über Dunkle Materie verraten“, ergänzte Giovanetti und betonte die in der Studie beschriebene Methode.
Die Studie wurde zusammen mit dem Postdoktoranden Hongwan Liu (NYU), dem außerordentlichen Professor Joshua Ruderman (Department of Physics, NYU) und der Physikerin Mariangela Lisanti (Princeton University) durchgeführt. Giovanetti und ihre Co-Autoren konzentrierten sich auf die Urknall-Nukleosynthese – ein Prozess, bei dem leichte Materieformen wie Helium, Wasserstoff und Lithium gebildet werden. Die Präsenz von unsichtbarer Dunkler Materie beeinflusst, wie sich jedes dieser Elemente bilden wird. Entscheidend für diese Phänomene ist auch der kosmische Mikrowellenhintergrund – das ist eine elektromagnetische Strahlung, die aus Elektronen und Protonen hervorgeht und die nach der Entstehung des Universums zurückblieb.
Das Team suchte eine Möglichkeit, die Präsenz einer bestimmten Kategorie von Dunkler Materie festzustellen (jene mit einer Masse zwischen der eines Elektrons und der eines Protons), indem es Modelle erstellte, die sowohl die Urknall-Nukleosynthese als auch den kosmischen Mikrowellenhintergrund berücksichtigten.
„Solche Dunkle Materie kann die Häufigkeiten bestimmter Elemente im jungen Universum verändern und einen Abdruck im kosmischen Mikrowellenhintergrund zurücklassen, indem sie beeinflusst, wie schnell das Universum expandiert“, erklärte Giovanetti.
In dieser Studie machte das Team Vorhersagen für kosmologische Signaturen, die mit der Präsenz von bestimmten Formen Dunkler Materie zusammenhängen. Diese Signaturen entstehen, indem Dunkle Materie die Temperaturen bestimmter Teilchen veränderte oder beeinflusste, wie schnell das Universum expandierte.
Die Ergebnisse zeigten, dass Dunkle Materie, welche zu leicht ist, zu anderen Mengen leichter Elemente führen würde, als wir in astrophysikalischen Beobachtungen sehen.
„Leichtere Formen von Dunkler Materie könnten das Universum so schnell expandieren lassen, dass diese Elemente keine Möglichkeit haben, sich zu bilden“, sagte Giovanetti. „Wir erfahren aus unserer Analyse, dass manche Dunkle-Materie-Modelle keine zu geringe Masse besitzen können, weil das Universum sonst anders aussehen würde als wir beobachten.“
(THK)
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