Neue Hinweise auf die Natur der Dunklen Materie

Wie wir im letzten Artikel gesehen haben, gibt es durchaus Grund zur Annahme, dass 80% der Materie im Universum noch nicht entdeckt sind und wir sie nur anhand ihrer Gravitationswirkung bemerken. Sie beeinflusst nicht nur die Bewegung der Sterne in Galaxien bzw. die der Galaxien in Galaxiengruppen, sondern sie verrät sich auch dadurch, dass sie das Licht entfernter liegender Galaxien ablenkt und deren Bilder verzerrt (siehe Titelbild).

Woraus besteht nun aber die Dunkle Materie?

Lauter nette Versuche…

Derzeit ist es einfacher zu sagen, woraus sie nicht besteht: Es kann sich schon einmal nicht um normale baryonische¹ Materie handeln, denn dies hätte Auswirkungen auf die Entstehung des Deuteriums, Heliums und Lithiums während der ersten Minuten nach dem Urknall gehabt (primordiale Nukleosynthese, siehe Bild). Deswegen sind frei im All umher treibende, nichtleuchtende Objekte wie Asteroiden, Planeten oder Sternenüberreste (sogenannte Massive Compact Halo Objects oder MACHOs) keine validen Kandidaten. Man hat dies auch unabhängig davon durch Beobachtungen von Gravitations-Mikrolinsen-Ereignissen überprüft; dabei beobachtet man, ob in dichten Sternfeldern das Vorbeiziehen eines unsichtbaren Vordergrundobjekts durch seine Schwerkraft das Licht eines der Sterne im Feld über ein paar Stunden bis Wochen heller werden lässt, weil die Gravitation des Vordergrundobjekts das Licht bündelt. Tatsächlich fand man auf diese Weise ein paar solcher Objekte, aber viel zu wenige, um genug Dunkle Materie damit zusammen zu bekommen.

Abhängigkeit der relativen Mengen von Helium-4, Helium-3, Deuterium und Lithium im Vergleich zum Wasserstoff (10⁰=1) von der Baryonendichte während der Erzeugung der Elemente in den ersten Minuten nach dem Urknall. Das gelb-blaue senkrechte Band gibt den Bereich an, in dem die relativen Häufigkeiten aller 4 Elemente mit der in ursprünglichem Gas gemessenen übereinstimmen. Gelb und Blau unterscheiden die Messungen zweier verschiedener Teams. Die dünne senkrechte Linie rechts gibt die nötige Dichte an, die aus der heute beobachteten Expansion des Weltalls folgt. Die bayronische Materie reicht bei weitem dafür nicht aus. Bild: Schramm & Turner, “Big-Bang Nucleosynthesis Enters the Precision Era”, 7. Juni 1997, arXiv:astro-ph/9706069, gemeinfrei.

Die von den Gravitationswellendetektoren LIGO und VIRGO aufgespürten Verschmelzungen Schwarzer Löcher, die als Überreste vergangener Sterne nach heutigen Theorien zu massiv erscheinen, ließen die Hoffnung aufkommen, dass sogenannte primordiale Schwarze Löcher, die bereits während des Urknalls und vor der Nukleosynthese entstanden sein sollen, in großer Zahl das Weltall bevölkern könnten und somit die Dunkle Materie erklären könnten; deren bedürfte es weniger als planetarer MACHOs, aber auch dies wurde kürzlich durch Beobachtungen weitgehend ausgeschlossen.

Verbleiben noch nichtbaryonische Elementarteilchen. Neutrinos sind Teilchen, die nur über die Gravitation und die Schwache Wechselwirkung mit anderen Teilchen interagieren, eigentlich genau das, was man sucht. Neutrinos sind unglaublich häufig, sie entstehen in großer Menge bei der Kernfusion in der Sonne und durchstoßen auch uns nach widerstandslosem Flug durch die Sonne jede Sekunde zu Milliarden. Unglücklicherweise sind Neutrinos zu leicht, um genug Dunkle Masse zusammen zu bringen (Experimente haben ihre Massen aber auf weniger als 2 eV beschränkt). Diese Masse ist sogar so klein, dass die Neutrinodichte, die nötig wäre, um 100% der Dunklen Materie in Zwerggalaxien zu erklären, die Dichte eines entarteten Fermi-Gases überschreiten müsste [7] – Neutrinos sind Fermionen (Spin 1/2-Teilchen) und müssen deshalb nach dem Pauli-Prinzip verschiedene Energiezustände einnehmen; wir haben schon bei den Weißen Zwergen davon gehört, dass der Entartungsdruck der Elektronen verhindert, dass Weiße Zwerge weiter komprimieren, und die Neutrinos lassen sich in vergleichbarer Weise nicht in so großer Zahl dicht genug zusammenpacken, um bei ihrer geringen Masse die nötige Dichte zur Erklärung der Dunklen Materie aufzubringen. Ein weiterer Grund ist, dass sie zu schnell unterwegs sind, nahe Lichtgeschwindigkeit, um in Galaxien oder Galaxienhaufen gebunden bleiben zu können – sie sind im astronomischen Fachjargon gesprochen zu heiß. Gesucht werden massivere, langsame (kalte) Teilchen der Dunklen Materie.

Also sucht man nach neuen Teilchen, die von verschiedenen physikalischen Theorien oder Hypothesen vorhergesagt werden. Teilchen, die von supersymmetrischen Erweiterungen des Standardmodells (SUSY) vorhergesagt werden, konnten bisher weder am CERN noch in anderen Beschleunigern  aufgespürt werden. Schwach wechselwirkende DM-Teilchen eines großen Masse- und Wirkungsquerschnittsbereichs (siehe nächstes Bild) konnten durch Experimente wie LUX (Large Underground Xenon experiment), einem Teilchendetektor in Süd-Dakota, der in einem mit 260 m³ Wasser abgeschirmten 370-kg-Xenon-Tank 1500 m unter der Erde nach Interaktionen von schwach wechselwirkenden Teilchen (Weakly Interacting Massive Particles, WIMPs) suchte, ausgeschlossen werden (siehe Bild unten). Die Hoffnung, unterhalb der LUX-Empfindlichkeitsschwelle noch SUSY-Teilchen zu finden, ist zwar noch vorhanden, aber mittlerweile geht man weiter weg von der Laterne, unter deren Licht man den verlorenen Schlüssel sucht, hinein in die Dunkelheit von Kandidatenteilchen, die nicht direkt aufzuspüren sind, z.B. zu den sogenannten sterilen Neutrinos und Axionen, beides keine WIMPs.

Das LUX-Experiment in Süd-Dakota hat die Schwelle für mögliche WIMP-Teilchen 2016 weiter nach unten verschoben. Auf der x-Achse die Teilchenmasse, auf der y-Achse der Wirkungsquerschnitt, d.h. die Fläche, innerhalb der die Teilchen beim Vorbeiflug mit anderen Teilchen über die schwache Wechselwirkung interagieren können (Skala rechts in cm², links in “Zeptobarn”, einer in der Teilchenphysik verbreiteten Einheit für die Fläche). WIMPs oberhalb der schwarzen Linie sind ausgeschlossen; der gelbe Bereich unterhalb ist die 2-σ-Fehlerschwelle der Empfindlichkeit. Die hell- und dunkelgrauen Wolken sind die erwarteten 1- und 2-σ-Zonen für Teilchen des einfachsten SUSY-Modells. Bild: [8], arXiv, gemeinfrei.

Licht, das durch Stahl geht

Axionen sind hypothetische Teilchen, die ein Problem der Quantenchromodynamik (QCD) lösen könnten. Die QCD beschreibt die starke Kernkraft, die zwischen den Quarks innerhalb der Baryonen und Mesonen herrscht. Die Theorie sagt für die Axionen eine Masse in der Größenordnung von Mikroelektronenvolt voraus – selbst die leichten Elektronen haben eine Masse von 511 Kiloelektronenvolt, und die sind wiederum rund 2000mal leichter als das Proton und das Neutron. Es müsste also von Axionen nur so wimmeln, damit sie die Dunkle Materie erklären können, denn dazu müssten sie die Gesamtmasse von Protonen und Neutronen um das Vierfache übertreffen.

Axionen sind der Vorhersage nach nicht wirklich “dunkel”, sondern sie können über Elektromagnetismus mit Photonen interagieren, aber das Signal ist ausgesprochen schwach. Auf der Erde sucht man nach ihnen in Experimenten, in denen sich Laser-Photonen in starken Magnetfeldern in Axionen umwandeln sollen (Primakoff-Effekt), die in dieser Form eine Stahlwand durchdringen können und die durch ein zweites Magnetfeld hinter der Wand wieder in nachweisbares Licht gewandelt werden sollen. Andere Experimente suchen nach relativistischen (energiereichen, schnellen) Axionen aus dem Sonneninneren, die ebenfalls durch ein starkes Magnetfeld in einem dunklen Detektor in nachweisbares Licht umgewandelt werden sollen. Bisher ohne Erfolg.

Bringen Neutronensterne Dunkle Materie zum Leuchten?

Eine neue Arbeit [1] schlägt nun vor nach Strahlung von Axionen zu suchen, wo die Magnetfelder viel stärker und ausgedehnter sind als in irdischen Laboren: in der unmittelbaren Umgebung von Neutronensternen. Neutronensterne haben ein starkes Magnetfeld, das immer wieder Elektronen und Protonen von der Oberfläche losreißt² und den Neutronenstern in ein elektrisch leitendes Plasma hüllt. Im Plasma besteht eine geringere Lichtgeschwindigkeit als im Vakuum (ähnlich wie die Lichtgeschwindigkeit in Luft, Wasser oder Glas geringer ist als die Vakuumlichtgeschwindigkeit). Wenn die Dunkle Materie aus zahllosen kalten (d.h. langsamen) Axionen besteht, dann sollten diese von der Schwerkraft eines Neutronensterns angezogen und beschleunigt werden, bis auf relativistische Geschwindigkeiten. Durch die Beschleunigung nimmt ihre bewegte Masse zu. Bei einem bestimmten Abstand vom Neutronenstern haben sie genau die richtige Masse und Geschwindigkeit, um mit Radiowellen, die das Plasma durchlaufen, in Resonanz zu sein und dies führt den Berechnungen in der Arbeit gemäß zu einer besonders effizienten Umwandlung in Radio-Photonen, die dann alle die gleiche Energie und damit Wellenlänge haben und als schmalbandiges Signal somit leicht aufspürbar sind, ähnlich wie ein künstlicher Radiosender – falls ihr Signal stark genug ist. Und das soll sowohl für nahe gelegene Neutronensterne (ca. < 500 pc ≈ 1500 LJ), die keine Pulsare sind und starke Magnetfelder haben, der Fall sein, als auch für Neutronensterne im Zentrum der Milchstraße oder nahe gelegener Zwerggalaxien, wo die Dichte der Dunklen Materie besonders hoch sein soll und entsprechend mehr Strahlung erzeugt werden müsste. Mit Radioteleskopen wie Arecibo, FAST oder dem im Aufbau befindlichen SKA könnte man laut Berechnungen der Autoren bei rund 100 h (!) Empfangsdauer das Radiosignal von Axionen mit Massen zwischen 0,2 und 40 µeV aus dem Rauschen herausfiltern. Und dieses hätte für Axionen der Dunklen Materie bei allen Neutronensternen die gleiche Frequenz.

Warten wir also ab, was die Suche nach solchen Signalen ergibt.

Sterile Neutrinos – die Schlinge zieht sich zu

Das Standardmodell kennt drei Neutrinoarten: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Diese heißen so, weil sie bei Teilchenreaktionen mit Leptonen (Elektronen, Myonen und Tau-Teilchen) zusammen entstehen. Alle Neutrinos sind unerklärlicherweise “Linkshänder”: ihr Spin weist in die umgekehrte Richtung ihrer Ausbreitungsrichtung (während Elektronen problemlos die Spinrichtung um 180° kippen können). Die Neutrinos kennt man seit Anfang der 1960er Jahre, aber erst seit 2002 weiß man, dass die drei Neutrinoarten (auch Flavours – Geschmäcker – genannt) sich permanent ineinander umwandeln, sie oszillieren. Der Mechanismus funktioniert ungefähr so:

Neutrinos haben demnach keine wohldefinierten Massen, sondern jedes Neutrino befindet sich in einer quantenmechanischen Überlagerung aus drei Eigenzuständen der Masse (m₁, m₂, m₃), die sich wellenförmig fortbewegen. Die drei Wellen haben verschiedene Wellenlängen, so dass sich die Wellen an verschiedenen Orten in verschiedener Weise (mit unterschiedlicher Phase) überlagern. Die Mischung aus den drei Eigenzuständen der Masse an einem Ort ergibt immer genau einen der Flavour-Eigenzustände, je nach lokalem Phasenunterschied der Wellen. Man wird also in einer bestimmten Entfernung von einer Elektron-Neutrinoquelle Myon-Neutrinos finden und in einer anderen Entfernung Tau-Neutrinos. Deswegen fand man bei den Neutrinos aus der Sonne zunächst nur ein Drittel der erwarteten Elektron-Neutrinos – der Rest war am Detektor zufällig gerade Myon- oder Tau-Neutrino.

Neutrinooszillation von ursprünglichen Elektron-Neutrinos (schwarz) in Myon- (blau) oder Tau-Neutrinos (rot) nach der Theorie (unter bestimmten Annahmen, siehe Link in der Bildquelle). Auf der y-Achse die Wahrscheinlichkeit für jede Neutrinosorte, sie dort anzutreffen, und auf der x-Achse die Entfernung von der Quelle dividiert durch die Energie der Neutrinos. Bild: Wikimedia Commons, gemeinfrei.

Wir kennen die Massen der drei Eigenzustände nicht, wir wissen nur die Massendifferenzen und können daraus schließen, dass die Massen der Neutrinos auf jeden Fall kleiner als 2 eV sein müssen. Die Theorie der Neutrinooszillationen besagt jedoch, dass die Abstände L_ij, über welche sich der Flavour i in den Flavour j umwandelt, umgekehrt proportional zu den Differenzen der Massenquadrate der Eigenzustände sein müssen: L^-1_ij ~ m²_i – m²_j für die Massen-Eigenzustände i, j = 1, 2 oder 3. Genau deswegen können mindestens zwei der Neutrino-Flavours nicht masselos sein (sonst wäre eine Differenz 0) und sie müssen sich somit langsamer als das Licht bewegen (Teilchen mit Ruhemasse können nach der Speziellen Relativitätstheorie nicht so schnell wie das Licht werden). Das Standardmodell der Teilchenphysik sagt jedoch voraus, dass Neutrinos eigentlich masselos sein sollten. Da sie das erwiesenermaßen nicht sind, eröffnen die Neutrinos offenbar die Tür zu neuer Physik.

Das MiniBooNE-Experiment am Fermilab untersucht die Oszillationen anhand einer Myon-Neutrino-Quelle, die sich in 500 m Entfernung von einem Neutrinodetektor für Elektron- und Myon-Neutrinos befindet, der aus einem mit  818 Tonnen Mineralöl gefüllten Tank besteht. Elektron-Neutrinos verursachen bei Kollisionen mit Atomkernen freigesetzte Elektronen während Myon-Neutrinos Myonen erzeugen, die leicht voneinander zu unterscheiden sind. Aus den Häufigkeiten der jeweils nachgewiesenen Neutrinoarten schließen die Forscher auf die Strecke, über die die Wandlung vom Myon-Neutrino zum Elektron-Neutrino stattfindet. Einer gerade veröffentlichten Arbeit [2] nach haben die Autoren am MiniBooNE viel mehr Elektron-Neutrinos gefunden, als zu erwarten gewesen wären, und damit ähnliche Ergebnisse eines Experiments aus den 90er Jahren (LSND) bestätigt, die seitdem nicht reproduziert worden waren; MiniBooNE glaubte sie 2007 sogar widerlegt zu haben.

Eine mögliche Erklärung für das Ergebnis wäre eine vierte Neutrinoart, die nicht direkt nachgewiesen werden kann: die hypothetischen sterilen Neutrinos. Diese heißen so, weil sie unempfindlich für die schwache Wechselwirkung sind – die drei anderen Neutrinos werden demgegenüber als aktive Neutrinos bezeichnet. Würden die sterilen Neutrinos schwach wechselwirken, dann müsste es auch entsprechende Quarks und Leptonen zu ihnen geben, was den Experimenten widerspricht.

Wenn die sterilen Neutrinos (mindestens) einen zusätzlichen Massen-Eigenzustand m₄ mit großem Massenquadrat mitbringen, dann könnte die Wandlungsstrecke des Elektron-Neutrinos kürzer sein als ohne diesen Eigenzustand. Einige Theorien, die die geringen Massen der aktiven Neutrinos erklären, sagen in der Tat die Existenz dreier schwerer (1-100 keV), rechtshändiger, steriler Neutrino-Gegenstücke zu den aktiven leichten linkshändigen Neutrinos voraus. Die Massen der aktiven Neutrinos wären demnach klein, während die sterilen Gegenstücke entsprechend groß wären (“Schaukelbrett-” oder “Seesaw-Mechanismus“, engl. seesaw = Wippe).

Sterile Neutrinos könnten beim Urknall in großer Zahl entstanden sein. Bei der Entstehung hatten sie zunächste relativistische Geschwindigkeiten gehabt, waren jedoch im thermischen Gleichgewicht mit der damals noch dichten Materie und wurden von dieser abgebremst. Wie baryonische Materie über die Schwerkraft die Dunkle Materie abbremsen kann, haben wir ja schon im letzten Artikel gelesen: die baryonische wird von der Dunklen mitgezogen und beschleunigt, und kann im Gegensatz zur Dunklen Bewegungsenergie als Wärme abstrahlen und somit abkühlen. Damit kühlt sie aber auch die Dunkle Materie ab, denn die verliert über die gravitative Wechselwirkung mit der baryonischen fortwährend Energie an diese. Bis die Materie sich in Folge der Expansion des Weltalls so stark verdünnt hatte, dass mit dem Abstand der Teilchen die gravitative Wechselwirkung immer geringer wurde und sich die Temperaturen von baryonischer und Dunkler Materie schließlich entkoppelten. Es könnte sein, dass die Entkopplung bei einer Temperatur erfolgte, die die sterilen Neutrinos als “warme” Dunkle Materie zurück ließ, als Teilchen, die immer noch schnell unterwegs sind, aber weniger schnell als die Fluchtgeschwindigkeit von Galaxien und Galaxienhaufen.

Die Theorie besagt weiterhin, dass die sterilen Neutrinos nicht ewig stabil sein sollten, sondern mit einer Halbwertszeit, die zwar sehr viel größer als die Lebensdauer des Universums sein kann, aber eben dennoch begrenzt ist, zerfallen sollten und dabei Röntgenstrahlung entstehen sollte. Das heißt natürlich, dass einige Teilchen auch heute schon zerfallen würden und man ihre Strahlung nachweisen können sollte. 2014 beobachteten mehrere Teams [3] mit Weltraum-Röntgenteleskopen (Chandra, XMM-Newton, NuStar, Suzaku) Strahlung von 3,55 keV aus Richtung der Andromeda-Galaxie, aus verschiedenen Galaxienhaufen und dem Zentrum der Milchstraße, die auf den Zerfall eines sterilen Neutrinos von 7,1 keV Masse hindeuten könnten. Zusammen mit den jüngsten MiniBooNE-Beobachtungen könnte dies darauf hindeuten, dass es sterile Neutrinos gibt und diese zumindest einen Teil der Dunklen Materie bilden könnten.

Viele Konjunktive. Vielleicht kann die Frage nach der Natur der Dunklen Materie mit weiteren Beobachtungen schon bald geklärt werden.

Referenzen und Quellen

[1] Anson Hook, Yonatan Kahn et al., “Radio Signals from Axion Dark Matter Conversion in Neutron Star Magnetospheres“, Physical Review Letters, 121, 241102, 13. Dezember 2018.

[2] MiniBooNE Collaboration, “Significant Excess of ElectronLike Events in the MiniBooNE Short-Baseline Neutrino Experiment“, Physical Review Letters 121, 221801, 26.11.2018; arXiv:1805.12028.

[3] F. Hofmann, J. S. Sanders et al., “7.1 keV sterile neutrino constraints from X-ray observations of 33 clusters of galaxies with Chandra ACIS“, Astronomy & Astrophysics, Volume 592, August 2016 ; arXiv:1606:04091.

[4] Chris Lee, “Pulsars could convert dark matter into something we could see“, Ars Technica, 20.12.2018.

[5] Joachim Kopp, “Viewpoint: The Plot Thickens for a Fourth Neutrino“, APS Physics, 26.11.2018.

[6] A Boyarsky, M. Drewes et al., “Sterile Neutrino Dark Matter“, Progress in Particle and Nuclear Physics, Januar 2019; arXiv: 1807.07938.

[7] Daniel Schwartländer, “Dunkle Materie II: Non-WIMP Dark Matter“, Seminar, Uni-Münster, 08.01.2014.

[8] D.S. Akerib, S. Alsum,”Results from a search for dark matter in the complete LUX exposure“, Physical Review Letters 118, 021303, 11. Januar 2017; arXiv:1608.07648.