Dunkle Materie: Hinweis auf supersymmetrische Teilchen entdeckt?

Am 25. September ging eine Meldung durch die Wissenschaftswelt, die überraschenderweise nur ein geringes Echo in den deutschen Medien fand, die aber möglicherweise endlich einen konkreten Hinweis auf die lang ersehnten “Teilchen jenseits des Standardmodells” und damit vielleicht auch auf die Trägerteilchen der Dunklen Materie erbringen könnte. Hier mein Versuch, sich der Arbeit zu nähern.

 

Supersymmetrie

Die Theorie der Dunklen Materie erklärt bisher am plausibelsten, warum Galaxien offenbar bedeutend mehr Masse haben, als es gemäß der Leuchtkraft ihrer Sterne zu erwarten wäre, so dass sie sich außen schneller drehen, als sie es eigentlich sollten und sie sich in Galaxienhaufen mit Geschwindigkeiten bewegen, aus denen sie gemäß der leuchtenden Masse eigentlich heraus katapultiert werden müssten, und sie ist (im Gegensatz zu konkurrierenden Theorien) auch in der Lage, kosmologische Probleme wie das Verhältnis der im Urknall entstandenen Elemente, die großräumige Struktur des Universums, Entstehung von Galaxien und die Flachheit des Universums zu erklären.

Der einzige Schönheitsfehler ist: die Teilchen der Dunklen Materie, die allgegenwärtig sein sollten, ließen sich bisher in keinem Experiment aufspüren, es gab immer nur Ausschlüsse von Kandidaten. Ursprünglich hoffte man am Large Hadron Collider (LHC) am CERN nahe Genf Hinweise auf “supersymmetrische Teilchen” zu finden, aber bisher wurde keines gefunden.

Das Standardmodell der Teilchenphysik kennt zwei Gruppen von Teilchen, die sich durch ihren Spin unterscheiden (was nach Drehung klingt, aber nicht wirklich eine ist, mehr dazu bei Martin Bäker): Fermionen haben den Spin 1/2 und Bosonen einen ganzzahligen Spin (0, 1 oder 2). Fermionen sind die Teilchen, aus denen die Materie besteht, und ihre schwereren Verwandten mit ansonsten ähnlichen Eigenschaften. Das sind die Quarks (Protonen und Neutronen bestehen aus Up- und Downquarks, daneben gibt es noch 2 mittleschwere Strange- und Charm- und 2 sehr schwere Top- und Bottom-Quarks), die Leptonen (das Elektron und seinen schwereren Geschwister Myonen und Taus) und die Neutrinos (die bei bestimmten Zerfallsprozessen zusammen mit einem der Leptonen entstehen, daher gibt es die auch in drei Geschmäckern).

Bosonen sind hingegen Teilchen, die Kräfte zwischen den Fermionen vermitteln (Austauschteilchen; man denke sich bildlich, dass sich die Fermionen solche Teilchen zu schmeißen, was die Bindung zwischen ihnen erzeugt): das Photon, das die elektromagnetische Kraft zwischen den geladenen Teilchen vermittelt, das Gluon, das die starke Kernkraft zwischen den Quarks vermittelt, und die Z⁰ und W⁺/W^–-Teilchen, die die “Schwache Wechselwirkung” vermitteln, die z.B. bei der Kernfusion in der Sonne eine Rolle spielt. Sie alle haben Spin 1. Dann gibt es noch wenigstens ein Higgs-Teilchen, das von einem allgegenwärtigen Feld hervorgebracht wird, welches (das Feld, nicht das Teilchen) den anderen Elementarteilchen ihre Masse verleiht. Es hat Spin 0 und ist damit ebenfalls ein Boson. Möglicherweise gibt es noch das Graviton, das die Schwerkraft vermittelt, welches Spin 2 hätte.

Nach der Theorie der Supersymmetrie (SUSY), die zur Lösung einer Reihe von Problemen vorgeschlagen wird, und deren Motivation zu erläutern hier zu weit führen würde, soll es nun zu jedem dieser Teilchen einen Superpartner geben, und zwar zu jedem Boson ein Super-Fermion mit halbzahligem Spin und zu jedem Fermion ein Super-Boson mit ganzzahligem Spin. Zu den Quarks also Squarks (wie Sup und Sdown, Sstrange und Scharm, Sbottom und Stop), zu den Leptonen gäbe es die Sleptonen Selektron, Smyon und Stau (ja, das heißt wirklich so… bitte wie einst Helmut Schmidt aussprechen!), zu den Neutrinos Sneutrinos – und zu den Bosonen entsprechende Fermionen, die schönere Namen haben: Photino, Gluino, Wino und Zino sowie das Higgsino. Und  vielleicht noch ein Gravitino.

Diese SUSY-Teilchen wären alle extrem massereich, wie man es sich für die Dunkle Materie wünscht, und damit auch nur schwer in Beschleunigern zu erzeugen, denn ein mehrfaches der ihrer Masse entsprechenden Energie muss in Beschleunigerkollisionen aufgebracht werden, um sie hervor zu bringen. Daher hoffte man, mit dem LHC, der zuvor unerreichte Kollisionsenergien von 13 TeV aufbringt (das entspricht der Energie eines Elektrons, das von 13 Billionen Volt Spannung beschleunigt wurde) wenigstens die leichtesten SUSY-Teilchen zu finden, aber kein Steilchen zeigte sich, und man begann, die ersten Abgesänge  auf die Supersymmetrie anzustimmen.

 

Mutter Natur hat die besseren Beschleuniger

Wie wir schon beim jüngst nachgewiesenen hochenergetischen IceCube-Neutrino erläutert, ist der LHC ein Waisenkind gegenüber den natürlichen Beschleunigern, die das Universum in Form von Schwarzen Löchern, kollidieren Neutronensternen oder Supernovae aufzubieten hat. Diese erzeugen gelegentlich Teilchen mit Energien von vielen Exa-Elektronenvolt (EeV), also Millionen TeV¹. Kosmische Teilchen mit solchen Energien werden als Ultra-High Energy Cosmic Rays (UHECR) bezeichnet. In der Antarktis versucht man, außer mit dem beschriebenen IceCube-Neutrinodetektor mit Ballonexperimenten der kosmischen Strahlung auf die Spur zu kommen.

Ein derzeit laufendes Experiment trägt den Namen Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA). Der Name ist Programm: ANITA lauscht in 35 km Höhe mit Hilfe von Richtantennen auf flüchtige Pulse von Radiostrahlung. Am magnetischen Pol in der Antarktis treten die Feldlinien des Erdmagnetfelds senkrecht aus dem Erdboden. Kosmische Strahlen, die in die Atmosphäre eintreten, erzeugen Leptonen (also Elektronen, Myonen oder Taus), und diese geladenen Teilchen werden vom Magnetfeld in schraubenförmige Bahnen um die Feldlinien gezwungen. Wegen des senkrechten Erdmagnetfelds umkreisen sie die Feldlinien in einer horizontalen Ebene. Eine gekrümmte Bahn bedeutet eine Beschleunigung des Teilchens und beschleunigte Ladung strahlt Radiowellen aus, die von ANITA empfangen werden. ANITA richtet ihre Antennen hauptsächlich zur Seite (maximale Blickhöhe ist 30° über den Horizont) und nach unten aus und empfängt somit Radiopulse aus Horizont-Richtung und vom Erdboden.

ANITA sieht die waagerechten Kreisbewegungen von Teilchen in Richtung des Horizonts also gewissermaßen von der Kante aus, deswegen erscheinen ihre Wellen in der Horizontalen polarisiert (sie schwingen nur in der horizontalen Ebene). In Schrägansicht von oben oder unten haben die Schwingungen der Teilchen auch eine kleine vertikale Komponente, aber genau nach unten verschwindet diese wieder, denn die Teilchen schwingen dann nicht mehr periodisch in der Senkrechten (und die Antennen für vertikale Polarisation wären in dieser Richtung auch nicht empfindlich), sondern bewegen sich nur mit konstanter Geschwindigkeit vorwärts, was keine Radiowellen verursacht. Signale mit stark vertikaler Polarisation sind daher mit großer Sicherheit menschengemacht.

ANITAs Antennen sind seitwärts und nach unten gerichtet und können die Herkunftsrichtung eines einlaufenden Signals auf 0,25° in der Vertikalen und 0,65° in der Horizontalen genau orten. Von unten sehen sie normalerweise am Boden reflektierte Radiowellen von Teilchenschauern, die oberhalb ihres Empfangsbereichs entstanden sind. Wenn eine elektromagnetische Welle reflektiert wird, tut sie einen Sprung um 180° in der Phase (wie gut, dass ich neulich über Phasenumtastung schrieb), und das kann ANITA messen, denn der Radiopuls ist kurz mit scharfem Maximum (siehe folgendes Bild). Fehlt dieser Phasensprung und kommt die Welle nicht unreflektiert aus horizontaler Richtung, dann muss sie folglich von unten kommen und das sie verursachende Teilchen die Erde durchdrungen haben.

In ihrer Arbeit Observation of an Unusual Upward-going Cosmic-ray-like Event in the Third Flight of ANITA [1] berichtet das ANITA-Team von 2 solchen Impulsen aus Bodenrichtung (eines davon ist oben im 1. Teilbild zu sehen), und zwar eines am 20.12.2014 (0,56±0,3 EeV, 35,0° unterhalb der Horizontalen) und das andere am 28.12.2006 (0,6±0,4 EeV, 27,4° unterhalb der Horizontalen). Die beiden Ereignisse sind konsistent mit dem Radiospektrum von zerfallenden Tau-Leptonen, die im 3,5 km dicken Eis bei einer Reaktion eines Tau-Neutrinos mit einem Atomkern erzeugt wurden. Man suchte auch nach einer potenziellen Quelle, und für das 2014er-Ereignis fand sich in der entsprechenden Richtung mit einem Fehler von 1,2° (1,5° Ungenauigkeit für die Herkunftsrichtung des Neutrinos, welches das Tau-Lepton mutmaßlich erzeugt hat, sind zu erwarten) die Typ-Ia-Supernova SN2014dz, die 5 Stunden vor dem Ereignis entdeckt wurde und 7 Tage später ihr Maximum erreichte. Die Anstiegszeit einer Typ Ia-Supernova vom Ausbruch bis zum Maximum beträgt etwa 18 Tage. Die Wahrscheinlichkeit, dass das Teilchen nur zufällig zu dieser Zeit aus dieser Richtung kam, ohne mit SN2014dz verbunden zu sein, schätzen die Autoren auf 0,34%. Für das 2006er-Ereignis fand sich keine Quelle, allerdings lag die Ursprungsrichtung mit 10° nahe an der galaktischen Ebene, so dass Staub der Milchstraße die mutmaßliche Quelle möglicherweise verdeckt haben könnte.

 

Dicker Kopf geht nicht durch dicke Wand

Neutrinos, die die Erde durchschlagen, so what, dachte ich auch, denn IceCube lauscht ja auch auf Neutrinos, die von unten kommen. Für Neutrinos ist ein Lichtjahr Blei ja transparent wie Glas. Das gilt aber nicht mehr für extrem hohe Teilchenenergien. Der sogenannte Wirkungsquerschnitt, das ist die das Neutrino umgebende Fläche, die ein entgegenkommendes Teilchen treffen muss, damit es zu einer Reaktion kommt, nimmt mit der Neutrinoenergie zu² (siehe nächstes Bild). Deswegen bleiben Neutrinos oberhalb einer gewissen Energie zuverlässig in der Erde stecken.

Hier gibt es ein Video von IceCube, in dem erzählt wird, dass der Effekt, dass Neutrinos oberhalb einer gewissen Energie von der Erde gestoppt werden, mit IceCube nachgewiesen wurde und man damit künftig mehr über das Innere der Erde erfahren möchte.

Legt man nun in der Richtung, aus der das Tau im Jahre 2014 (bzw. sein Radioimpuls) empfangen wurde, eine Sekante durch die Erde, dann ergibt sich eine Strecke von 7000 km durch die Erde hindurch – das ist 18mal so weit, wie ein Neutrino dieser Energie im Schnitt hätte kommen dürfen. Die Chance für irgendein Standardmodell-Teilchen, die 7000-km-Sekante durch die Erde bei dieser Energie zurückgelegt zu haben sei kleiner als 1 Millionstel, rechnen Derek B. Fox, Steinn Sigurdsson und andere (alle keine Mitglieder des ANITA-Teams) in einer letzte Woche erschienenen Arbeit The ANITA Anomalous Events as Signatures of a Beyond Standard Model Particle, and Supporting Observations from IceCube [2] vor.

Man könnte einwenden, wenn hinreichend viele Teilchen versuchen, die Erde zu durchschlagen, dann kann ein Millionstel davon immer noch genug sein, um nachgewiesen zu werden – aber so häufig sind Teilchen dieser Energien bei weitem nicht, wie Beobachtungen von IceCube und dem Pierre Auger Observatorium nahe legen. Die Autoren von [2] untersuchten in Simulationen, ob nicht vielleicht ein Neutrino, das in der Erde absorbiert wird und dabei ein Tau erzeugt, durch eine Reaktion des Taus ein neues Neutrino geringerer Energie hervorbringen könnte, das ein weiteres, längeres Stück Weg durch die Erde zurücklegen könnte usw., bis eines seiner Nachkommen dann doch in der Antarktis ankäme. Sie fanden, dass Einschlagsenergien von 1 EeV die höchste Eindringtiefe erreichten (sowohl bei niedrigeren als auch höhere Energien schafften weniger Neutrinos die Strecke), und bei dieser Energie schafften es drei von 100 Millionen simulierten Neutrinos, die 5700-km-Sekante des 2006er-ANITA-Ereignisses zu überwinden, und keines die 7000 km des 2014er-Ereignisses. Damit ANITA während ihrer Beobachtungszeit und innerhalb ihres Blickfelds die beiden beobachteten Ereignisse hätte aufspüren können, müsste die Einschlagrate von > 1 EeV Neutrinos rund 2 Millionen Mal höher sein (12 Millionen Teilchen pro Quadratkilometer, Jahr und Raumwinkeleinheit Steradiant), als IceCube und Auger dies beobachten (6 Teilchen pro qkm·Jahr·sr). Die Wahrscheinlichkeit, dass dennoch zufällig zwei solcher Ereignisse beobachtet werden konnten, geben die Autoren mit 2,8 Billionstel an, das entspricht einem Konfidenzniveau von 7σ – ab 5σ betrachten Teilchenphysiker eine Entdeckung als statistisch abgesichert.

Eine zweite Argumentationslinie der Autoren geht so: selbst wenn man von der geringen Durchschlagswahrscheinlichkeit absieht und nur die Teilchen betrachtet, die es erfolgreich durch die Erde hindurch geschafft haben, dann hängt deren Erfolg empfindlich (exponentiell) davon ab, wie steil sie durch die Erde gestoßen sind. Deswegen müssten für jedes Teilchen, das mit einem Winkel so steil wie die beiden Kandidaten durch die Erde gegangen ist, erheblich viel mehr in flacherem Winkel durchgestoßen sein, und das ist nicht der Fall. Für beide Teilchen in Summe ergibt sich hier ein Konfidenzniveau von knapp 6σ, das alleine schon reichen würde, einen Zufall auszuschließen.

Darüber hinaus wollen die Autoren in den IceCube-Daten noch drei Peta-eV-Ereignisse aufgestöbert haben, deren kombiniertes Konfidenzniveau aus Energie und Einschlagwinkel zusammen höher ist als 2σ (95%) (Bild).

Im Rahmen des Standardmodells hätte ANITA die beiden Ereignisse folglich nicht sehen dürfen. Hat sie aber. Und jetzt?

 

Ein SUSY-Kandidat? Vielleicht…

Dann müsste es wohl ein bisher unbekanntes Teilchen jenseits des Standardmodells gewesen sein. Die Autoren von [2] fassen zusammen, welche Eigenschaften ein solches Teilchen haben müsste, um die ANITA-Ereignisse zu erklären: Das Teilchen müsste einen Wirkungsquerschnitt von 1/10-1/100 desjenigen (15 Nanobarn) eines Neutrinos bei 1EeV haben, so dass es im Mittel wenigstens 1000 km durch die Erde zurücklegen würde und dennoch mit realistischer Wahrscheinlichkeit am Ende seines Weges eine Interaktion mit Materie  verursachen würde, wie sie von ANITA beobachtet wurden. Außerdem sollte das Teilchen lange genug existieren, dass es bei einer Energie um 1 EeV ungefähr einen Erdradius zurücklegen könnte. Unter den supersymmetrischen Teilchen gibt es einen potenziellen Kandidaten mit den geforderten Eigenschaften, das relativ langlebige Stau-Slepton, und das von einschlagenden Hochenergie-Neutrinos innerhalb der Erde erzeugt werden und den Weg durch die Erde hindurch schaffen könnte. Gemäß bestimmter SUSY-Prozesse (GMSB) könnte es dann zu einem Tau und dem leichtesten SUSY-Teilchen zerfallen, welches stabil wäre und ein guter Kandidat für die Dunkle Materie.

Das Stau müsste ungefähr 0,5 bis 1 TeV Masse haben, um dem LHC bisher plausibel entgangen zu sein. Das stabile DM-SUSY-Teilchen, das aus ihm entstünde, wäre entsprechend leichter; die Autoren geben leider keine weiteren Details über dieses Teilchen an.

Wenn also ANITA tatsächlich die Spuren von Teilchen mit EeV-Energien gefunden hat, und falls die Teilchen wirklich die Erde durchschlagen haben, dann haben die Autoren von [2] für genau diesen Fall überzeugend dargelegt, dass innerhalb des Standardmodells ein solcher Nachweis nicht möglich hätte sein sollen. Demnach wäre hierfür ein neues Teilchen vonnöten, bei dem es sich vielleicht um ein SUSY-Teilchen handeln könnte, aber definitiv ein Teilchen jenseits des Standardmodells. Sie bezeichnen dies selbst als das erste “bona fide physikalische Phänomen jenseits des Standardmodells seit der Entdeckung der Neutrino-Oszillation, der Dunklen Materie und der Dunklen Energie”. Andere sind etwas vorsichtiger. Selbst ein Mitglied des ANITA-Teams warnt davor, voreilige Schlüsse zu ziehen [4]. Konkreteren Widerspruch gab es bislang aber auch nicht, was auch etwas zu bedeuten hat.

Dann lehnen wir uns mal entspannt zurück und warten darauf, dass andere diese außergewöhnliche Behauptung bestätigen. Oder aber in der Luft zerfetzen.

 

Referenzen und weitere Artikel

[1] P. W. Gorham et al., “Observation of an Unusual Upward-going Cosmic-ray-like Event in the Third Flight of ANITA“, Physical Review Letters, angenommen am 29. Juni 2018; arXiv:1803.05088.

[2] Derek B. Fox, Steinn Sigurdsson, Sarah Shandera et al., “The ANITA Anomalous Events as Signatures of a Beyond Standard Model Particle, and Supporting Observations from IceCube”, eingereicht am 25. September 2018; arXiv:1809.09615.

[3] Joseph A. Formaggio, G.P. Zeller, “From eV to EeV: Neutrino Cross-Sections Across Energy Scales“, Rev. Mod. Phys. Vol. 84, S. 1307, 24. September 2012; arXiv:1305.7513.

[4] Adrian Cho, “Oddball particles tunneling through Earth could point to new physics“, Science Magazine, 27. September 2018.

[5] Emily Conover, “Hints of weird particles from space may defy physicists’ standard model“, ScienceNews Magazine, 28. September 2018.

[6] Robert Gast, “Mysteriöse Teilchenschauer im ewigen Eis“, Spektrum, 28.09.2018.

[7] Daniel Fischer, Leitartikel Abenteuer Astronomie,  Oktober/November 2018.

[8] Supersymmetrie, www.weltmaschine.de