Viele Beobachtungen sprechen ja dafür, dass es – neben der altbekannten “normalen” Materie – auch noch Dunkle Materie gibt – also irgendetwas, das wir nicht direkt über optische Signale im All beobachten können, das aber trotzdem durch seine Schwerkraft die Bewegung von Sternen und Galaxien beeinflusst. Was diese Dunkle Materie sein könnte, darüber gibt es bisher nur Spekulationen. Eine davon hat gerade etwas Aufwind bekommen.

Vorneweg ein Wort zur Warnung: Ich bin auf diesem Gebiet wahrlich kein Experte (viel mehr über dunkle Materie findet ihr bei Florian) und ich gebe sofort zu, dass ich die hier zitierten paper nicht vollkommen verstanden (oder auch nur in allen Einzelheiten gelesen) habe. Ich hoffe, dass ich trotzdem – nicht zuletzt dank einiger Sekundärquellen – den Kern richtig wiedergebe.

Am Anfang dieser Geschichte steht eine Entdeckung von Februar: Bei der Beobachtung von 73 Galaxien-Clustern im Röntgenbereich wurde etwas Unerwartetes entdeckt. Analysiert man die Röntgenstrahlung in einem Spektrum (so ähnlich, wie man weißes Licht mit einem Prisma in verschiedene Farben zerlegen kann), dann kann man sehen, bei welcher Energie im Spektrum wie viel Strahlung freigesetzt wird. Dabei entdeckte man eine Spektrallinie, die man keinem bekannten Phänomen zuordnen kann. Diese Linie gehört zu einer Energie von 3,55 keV. Das keV (Kiloelektronenvolt) ist eine gängige Einheit in der Physik – es ist die Energie, die ein Elektron gewinnt, wenn es eine Spannungsdifferenz von einem Kilovolt durchläuft (anders als der Name suggeriert, ist es also keine Einheit für eine elektrische Spannung.). Energien dieser Größenordnung findet man zum Beispiel, wenn Elektronen aus den inneren Schalen eines Atoms herausgeschlagen werden und dann andere Elektronen von Außen nach Innen herunterfallen und dabei eben Energie in Form von Röntgenstrahlung freisetzen. Entsprechend kann man im Spektrum von Sternen Linien dieser Art beobachten – beispielsweise die Eisen-K-Linie. Weil es ziemlich viele Elemente gibt, gibt es auch viele solcher Spektrallinien, und die AstronomInnen haben sicherlich ziemlich viel Mühe, diesen ganzen Wirrwarr sauber auseinanderzudröseln.

Tut man das aber, so scheint im Spektrum der beobachteten Galaxien eine Linie übrig zu bleiben, die eben bei einer Energie von 3,55keV liegt und bei der nicht klar ist, woher sie stammt. (Und diese Entdeckung wurde gleich von zwei Arbeitsgruppen gemacht.) Hinzu kommt, dass diese Linie nur sehr schwach ist und dass – wegen der vielen anderen Linien, die es so gibt – es auch möglich ist, dass die Linie doch von einem eigentlich bekannten Phänomen stammt. In der Zusammenfassung des  papers steht dazu:

the detection is at the limit of the current instrument capabilities and subject to significant modeling uncertainties.
[Die Messung ist an der Grenze der gegenwärtigen instrumentellen Möglichkeiten und unterliegt signifikanten Modellierungs-Unsicherheiten]

Nimmt man aber an, dass diese Linie tatsächlich existiert und nicht nur ein Beobachtungs-Artefakt oder ein Fehler in der Modellierung ist, dann stellt sich natürlich die Frage, woher sie kommt. Und da gibt es eine interessante Möglichkeit: Sterile Neutrinos.

Nein, sterile Neutrinos sind keine Neutrinos, die keine Kinder bekommen können (das können Neutrinos eh nicht…). Darunter versteht man bisher unbekannte (mit anderen Worten: vollkommen spekulative) Teilchen, die ähnlich wie Neutrinos nicht elektrisch geladen sind, die aber zusätzlich auch nicht der schwachen Wechselwirkung unterliegen (das ist die Wechselwirkung, die Teilchen in andere Teilchen umwandeln kann, beispielsweise Neutrinos in Elektronen). Ein steriles Neutrino unterliegt also nicht der elektrischen oder der schwachen Wechselwirkung, und der starken Wechselwrikung, die die Quarks in den Protonen und Neutronen zusammenhält, sowieso nicht. Übrig bleibt also zunächst mal nur die Gravitation, der ja alle Teilchen unterliegen. (Ja, alle, auch die masselosen, weil die zwar keine Ruhemasse haben, aber ja trotzdem Energie herumtragen.)

Ein Teilchen, das nur der Gravitation unterliegt, ist natürlich nahezu unmöglich zu detektieren, da die Gravitation so unglaublich schwach ist (die Gravitationsanziehung zwischen einem Elektron und einem Proton in einem Wasserstoffatom ist etwa 10000 Billionen Billionen Billionen (wenn ich mich gerade nicht bei den Nullen verzählt habe) mal schwächer als die elektrische Anziehung). Entsprechend könnte man denken, dass solche Teilchen auch nur sehr selten erzeugt werden können – und Röntgenstrahlung sollten sie dann wohl auch nicht abstrahlen, oder?

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Kommentare (32)

  1. #1 CG909
    11. Mai 2014

    @MartinB
    > um einen “echten” Massenwert zu bekommen, muss man
    > nach E=mc² noch ein c² ranmultiplizieren

    Du meinst wahrscheinlich 1/c² ranmultiplizieren. Wir haben ja die Energie und wollen die Masse.

    > aber das tut eigentlich niemand
    Es tut niemand aber ich finds praktisch Elektronenvolt mal in “alltäglichere” Enegie- und Masseeinheiten umzurechnen um sich die Größenordnungen klarzumachen.

    1 GeV ≈ 0,2 nJ ≙ 1u ≈ 2 yg

  2. #2 Niels
    11. Mai 2014

    @MartinB
    Die experimentellen Ergebnisse, die auf drei Neutrinogenerationen hindeuten (Zerfall des Z-Bosons, die Planck-Ergebnisse für die Feinstruktur der Hintergrundstrahlung) zählen nicht, weil es da nur um “leichte” Neutrinos geht und 3,55 keV schon zu “schwer” wäre?
    Oder würde das sterile Neutrino nicht als vierte Generation zählen? (Müsste es aber eigentlich, wenn es der Neutrinooszillation unterliegt, nicht?)

  3. #3 DasKleineTeilchen
    11. Mai 2014

    “(Ja, alle, auch die masselosen, weil die zwar keine Ruhemasse haben, aber ja trotzdem Energie herumtragen.)”

    ohmann, nach JAHREN fügt sich plötzlich alles in meiner weichen birne ineinandergreifend zusammen. danke martin!

  4. #4 DasKleineTeilchen
    11. Mai 2014

    gaaaaaahh, ich bin grade völlig fertig wie so ein einfacher feststellungssatz als massiver trigger wirken kann 😀 DANKE MARTIN!

  5. #5 MartinB
    11. Mai 2014

    @CG909
    Stimmt, hab’s mal geändert.

    @Niels
    Nein, die Neutrinos koppeln ja nicht direkt an die W’s und Z’s, und die Oszillation zu den anderen Neutrinos ist ja auch sehr schwach, wenn ich es richtig verstehe – deswegen kan man solche sterilen Neutrinos wohl generell in Beschleunigern nicht direkt sehen.

    @DKT
    Schön. Hättest du auch schon früher haben können, das habe ich nämlich schon vor langer Zeit ausführlich diskutiert:
    http://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2012/07/25/die-vielen-gesichter-der-masse/

  6. #6 Alderamin
    12. Mai 2014

    @Martin

    Vor kurzem ist aber eine theoretische Arbeit erschienen, die ein Modell aufzeigt, wie ein solches steriles Neutrino gebildet werden könnte, das mit den Beobachtungen im Einklang ist und das – wenn ich es richtig verstehe – genau die Eigenschaften hat, die man von dunkler Materie erwarten sollte

    Das wundert mich ein wenig. Neutrinos zählt man wegen ihrer hohen Geschwindigkeiten zur heißen dunklen Materie. Zur Zusammenballung von Galaxien noch vor größeren Strukturen, so wie das beobachtet wird, braucht es jedoch langsame kalte dunkle Materie. Oder sollen sterile Neutrinos viel langsamer unterwegs sein?

  7. #7 DasKleineTeilchen
    12. Mai 2014

    @martin: möglich schatz, aber 2012 hatte ich scienceBlogs noch garnich aufm schirm (grmpfl). und jetzt gerade den artikel gelesen; theoretisch war mir das alle bekannt, aber das wirkliche VERSTEHEN kam eben jetzt erst durch diesen einfachen satz. und das ist jedenfalls für mich schwerst faszinierend.

  8. #8 MartinB
    12. Mai 2014

    @Alderamin
    Dank des MSW-Mechanismus werden die neutrinos wohl “kälter” – das ist anscheinend gerade der Clou bei der Arbeit (aber wie gesagt,. ich kann diese Argumente und Rechnungen nicht wirklich nachvollziehen).

    @DasKleineTeilchen
    Ich wollte ja nur ein bisschen Werbung machen…
    Aber ja, manchmal kann ein simpler Gedanke oder Satz alles klar machen – immer wieder ein super-Gefühl, wenn sowas passiert.

  9. #9 DasKleineTeilchen
    12. Mai 2014

    @MB: besser als sex (kicher). und die werbung war perfekt.

  10. #10 rolak
    12. Mai 2014

    besser als sex

    Ach ich weiß nicht, DasKleineTeilchen, wäre der so selten wie die wow-Satori, hätte er sicherlich auch eine stärkere Wirkung 😉

  11. #11 roel
    *****
    12. Mai 2014

    @MartinB Danke für diesen interessanten Beitrag.

  12. #12 MartinB
    12. Mai 2014

    @DasKleineTeilchen
    “besser als sex (kicher)”
    Würd’ ich so nicht unbedingt sagen 😉

  13. #13 Chemiker
    12. Mai 2014

    Ein steriles Neutrino unterliegt also nicht der elektrischen oder der schwachen Wechselwirkung, und der starken Wechselwrikung, die die Quarks in den Protonen und Neutronen zusammenhält, sowieso nicht.

    Dahabe ich mich beim Lesen natürlich sofort gefragt, wie so ein Ding jemals gebildet oder vernichtet werden kann. Jeder Prozeß muß ja über irgendeine Wechselwirkung vermittelt werden.

    Auf der verlinkten Seite steht dann

    This is because, in order to be produced in the early universe, the sterile neutrino should mix slightly with the active ones.

    Ich vermute, das heißt folgenden: Der Flavor-Eigen­zustand und der Massen­eigenzustand sind ein bißchen ver­schieden. In seinem Massen­eigenzustand (in dem es gewöhn­lich vorliegt) hat ein steriles Neutrino eine geringe Chance, in Wirklichkeit ein ordinäres Neutrino (off-shell?) zu sein. Und letzteres kann zerfallen, und das sieht man.

    Ist das so ungefähr richtig? Und ist der (vermutlich sehr kleine) Mischungs­winkel zwischen den beiden Neutrinos irgend­etwas anderes als ein Postulat bzw. ein Fitparameter?

  14. #14 MartinB
    12. Mai 2014

    @Chemiker
    Ich glaube du siehst das richtig – letztlich muss das teilchen, wenn es zerfallen kann, ja auch in analoger Weise gebildet werden können. Etwas mehr dazu (mit Feynman-Diagramm) steht in dem resonaances-Blogartikel, den ich verlinkt habe, aber richtig ausführlich ist das auch nicht.

  15. #15 DasKleineTeilchen
    13. Mai 2014

    @rolak: der mann hat satori-erfahrung? endlich mal jemand, der das offenbar auch aus eigener erfahrung kennt; n satori ist schon der absolute burner, yep. wie bei sowas das gehirnstrommuster wohl aussehen mag?

  16. #16 MartinB
    13. Mai 2014

    @DasKleineTeilchen
    Auch zum Thema “Erleuchtung” habe ich nen alten text anzubieten – wenn auch nur nen Buchtipp:
    http://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2012/08/05/buchtipp-hardcore-zen/
    Da wird auch erzählt, warum Erleuchtungserlebnisse letztlich nicht so schrecklich wichtig und in gewiisser Weise ireführend sind…

  17. #17 DasKleineTeilchen
    13. Mai 2014

    @martin: “…Erleuchtungserlebnisse letztlich nicht so schrecklich wichtig und in gewiisser Weise ireführend sind..”

    hehe, schon klar; ansonsten hätte ich nach nicht wenigen erlebten satoris ja auch längst den “abstand” ;D

    thnx4Link.

  18. #18 DasKleineTeilchen
    13. Mai 2014

    mannmannmann, in dem thread von dem dir verlinkten artikel gings ja ab, weia. eine der dinge, die ich schon in meiner eso-zeit nie “verstanden” habe bezüglich all der “erleuchteten” (wie auch osho, jaja, ich war sanjassin): wenn “erleuchtet” (also qua das “irdische” hinter sich lassend, eben auch das belohnungssystem selbst), warum noch auf dem planeten rumspringen, wenn doch der endzustand erreicht ist, und demzufolge seinen körper verlassend um ins nirvana einzutreten. jaja, dat liebe ego, nä?

  19. #19 MartinB
    13. Mai 2014

    Ja, da ging’s ab – insbesondere das “Meine Linie ist aber cooler als deine”-Logik habe ich noch nie verstanden…

  20. #20 Wilhelm Leonhard Schuster
    15. Mai 2014

    Ich habe irgend wann gelernt:
    2 Linien treffen sich in der Unendlichkeit!

    Oder irrt mein Gedächtnis?

  21. #21 app-stein
    17. Mai 2014

    @WLS
    … . . es irrt . . . .. und es sei dem Alter geschuldet.

  22. #22 app-stein
    17. Mai 2014

    @ WLS
    Es gibt keinen grenzenlosen, diskreten Zustand. Mit dem Verstand kann ich diskrete Zustände aneinander reihen und erhalte eine Vorstellung von Unendlichkeit.
    Die Quintessenz der beiden “Hitzköpfe” liegt in der Dekohärenz-Zeit: Würde man die Temperatur gleich und gleich schnell herunter fahren, dann hat die wissenschaftliche Linie eine Überlebenschance . . . ..

  23. #23 app-stein
    17. Mai 2014

    @WLS
    @DKT
    Eine Chance hätte das DasKleineTeilchen nur bei einer Körpermasse, die weit über der Körpermasse von MartinB hätte. – ist aber nur ein Gedankenexperiment –
    . . . .. ist vielleicht auch eher ein Problem von Vater & Sohn und dem Heiligen Geist, der in Superposition zu beiden steht . . . ..
    . . . .. ALT & JUNG und die Differenz von Zeit: in der Euklidischen und in Nichteuklidischen Geometrie beschreiben das Problem beider “Licht-Linien” der Logik auch . . . ..
    Es gibt da noch den “Raum” der Schwarzen Energie, der die Relativgeschwindigkeit beider Licht-Linien auf Lichtgeschwindigkeit = konstant hält. Dieser “Raum” steht in Superposition zu den Licht-Linien und kennt den Zustand der Dekohärenz !!nicht!!

  24. #24 MartinB
    17. Mai 2014

    @app-stein
    Wozu das sinnfreie Geschwafel? Aneinanderreihen von Physikbegriffen hat mit Wissenschaft nichts zu tun – und mit meiner Masse ist übrigens auch alles in bester Ordnung.

  25. #25 app-stein
    17. Mai 2014

    Sinn wird nicht allein von / durch Wissenschaft definiert.
    Physik definiert sich nicht allein durch Wissenschaft . . . ..
    Physik fusst auf Chemie, Biologie und Mathematik und alle werden durch denken miteinander verbunden . . . ..
    Die Evolution der Materieteilchen hat ganz unwissenschaftlich die Freude und den gegenseitigen Respekt erfunden . . . ..
    (das Erfinden gehört ja zu den ingenieur-technischen Tugenden und die würde ich der Mathematik angliedern . . . ..)
    Haben wir doch einfach nur Spass miteinander . . . ..

  26. #26 MartinB
    18. Mai 2014

    @app-stein
    Du findest sicher irgendwo im Internet ein Forum, wo solche Texte eher angebracht sind als meinen Blog…

  27. #27 Franz
    19. Mai 2014

    Oh Mann, MartinB räumt ein etwas in der Teilchenphysik nicht zu verstehen und ich grüble noch immer an den Quantenpostings herum :(

  28. #28 Physik-Fan
    25. Mai 2014

    Was mir an der Idee nicht gefällt, ist ihr Ad-Hoc-Charakter. Man findet einen besonderen Effekt und schwupps zieht man zur Erklärung wie der Zauberer das Kaninchen ein neues Teilchen aus dem Ärmel. Ein Teilchen zudem, das in der Systematik des Standardmodells nicht vorkommt. Besser wäre es, wenn ein Konzept, eine neue Teilchensystematik dahinter stecken würde. Etwa eine 4. Teilchenfamilie, aber dann komplett ausgearbeitet und in Einklang mit dem Befunden, die für nur 3 Generationen sprechen (z.B. der Z-Bosonen-Zerfall) oder eine Klasse von sterilen Teilchen.

    Die SUSY hat hier wenigstes den Vorzug, die supersymmetrischen Teilchen nicht einfach zu postulieren, sondern sie ergeben sich aus einem recht gut fundierten theoretischen Konzept. Das gibt der Sache eine eigene Plausibilität. Was anderes ist, ein Teilchen einzuführen, mit dem Hintergedanken (der bestimmt dabei war), dass man für die DM eh so was braucht. So wird eine Hypothese mit einer anderen Hypothese verknüpft, eine zwackelige Angelegenheit.

    Mit der DM ist es überhaupt so ein Kreuz. Sie soll ja auf eine Reihe von Befunden gut passen, vor allem außerhalb von Galaxien, aber innerhalb von Galaxien weniger gut (etwa generelle Schwierigkeiten bei Spiral- und Zwerggalaxien mit Teilchenmodellen). Das Hauptproblem der DM ist aber, dass sich nach jahrzehntelanger Suche noch kein Kandidat dafür konkretisiert hat. Eigentl. ist man damit überhaupt nicht weitergekommen. Da kann schon die Frage aufkommen, ob man nicht einem Phantom nachjagt (wobei ich nicht sagen will, dass es gute Alternativen gibt, MOND ist es sicher nicht).

  29. #29 Physik-Fan
    25. Mai 2014

    dummer Tippfehler mit dem “z” vor “wackelig”, sorry

  30. #30 MartinB
    25. Mai 2014

    @Physik-Fan
    Ich sehe das etwas anders – wir wissen, dass das Standard-Modell nicht das Ende sein kann (DM, Neutrino-Masse), und prinzipiell spricht auch nichts gegen das “ad-hoc”-Einführen neuer Teilchen, das hat in der Vergangenheit ja auch gut geklappt (Neutrinos, charm- und bottom-Quark etc.).
    Theorien wie Susy sind in meinen AUgen nicht besser: Klar, nettes Konzept, aber man muss inzwischen ja auch einige Annahmen machen, um zu erklären, warum man keins der Susy-Teiclhen bisher gefunden hat, das ist letztlich nicht weniger “ad hoc”, auch wenn es mathematisch vielleicht hübscher aussieht.

    Und wenn das DM-Teilchen tatsächlich steril ist und nur unter besonderen Bedingungen erzeugt werden kann, dann wird es eben auch entsprechend schwierig nachzuweisen sein.

  31. #31 Physik-Fan
    26. Mai 2014

    @MartinB
    > prinzipiell spricht auch nichts gegen das “ad-hoc”-Einführen neuer Teilchen, das hat in der Vergangenheit ja auch gut geklappt (Neutrinos, charm- und bottom-Quark etc.).

    Mir ist schon bewusst, dass es Fälle gibt, wo es gut ging und die Neutrino-Hypothese von Pauli ist wirklich ein klassischer Fall. Die Einführung des Mesons durch Yukawa kann man auch nennen. Bei den zwei Quarks würde ich es nicht direkt ad hoc nennen, es gab theoretische Argumente dafür. Auf das Charm schlossen GIM (Glashow etc.) aus der Theorie der schwachen WW für die Quarks, die man analog zu den Leptonen bauen wollte. Auf Bottom- und Top-Quark wurde nach dem Nachweis des Tau-Leptons geschlossen. Der Erfolg mit dem Charm zeigte ja, dass das Konzept der Teilchenfamilien gut funktioniert.

    > Theorien wie Susy sind in meinen AUgen nicht besser: Klar, nettes Konzept, aber man muss inzwischen ja auch einige Annahmen machen, um zu erklären, warum man keins der Susy-Teiclhen bisher gefunden hat, das ist letztlich nicht weniger “ad hoc”, auch wenn es mathematisch vielleicht hübscher aussieht.

    Ich will die SUSY gar nicht verteidigen, ihr Stern ist am Sinken und wenn sich im LHC mit der doppelten Energie wieder nichts zeigt, wird sie immer unplausibler. Die Verdoppelung der Teilchen und die über 100 freien Parameter waren von Anfang an unschön. Aber mein Punkt war das Konzept und so eine Grundlage finde ich besser, als ein neuartiges Teilchen als Einzelphänomen zu postulieren. Das Standardmodell hat bisher experimentell allen Erweiterungsansätzen getrotzt und die Hürden darüber hinaus zu kommen, scheinen hoch zu sein.

  32. #32 MartinB
    26. Mai 2014

    @Physik-Fan
    Klar, schön geht anders als einfach Teilchen aus’m Hut zu zaubern. Aber am Ende entscheidet der Erfolg und das Experiment, egal wie hässlich es zwischendurch war 😉