$\mu$DM: a new mechanism for the baryon-dark matter coincidence

Das Universum ist aus zwei sehr unterschiedlichen Arten von Materie aufgebaut. Die eine ist der Stoff, den wir sehen und berühren können – die Atome, aus denen Sterne, Planeten und Menschen bestehen. Die andere ist die Dunkle Materie, eine unsichtbare Substanz, die kein Licht aussendet, aber eine Gravitationskraft ausübt, die stark genug ist, um Galaxien zusammenzuhalten. Seit Jahrzehnten messen Astronomen, wie viel von jeder Art existiert. Das Ergebnis ist ein rätselhafter Zufall: Es gibt etwa fünfmal mehr Dunkle Materie als gewöhnliche Materie. Dieses Verhältnis ist so präzise, dass es sich eher wie ein Hinweis als wie ein zufälliger Unfall anfühlt. Wenn die beiden Arten von Materie durch völlig separate, unzusammenhängende Prozesse entstanden wären, wäre eine solch spezifische Bilanz unglaublich unwahrscheinlich. Physiker suchen schon lange nach einem Mechanismus, der die Entstehung dieser beiden Substanzen miteinander verknüpft, und vermuten, dass ihre Häufigkeiten nicht unabhängig voneinander sind, sondern durch ein tieferes Naturgesetz miteinander verbunden sind.

Ein neuer Vorschlag eines Forschers der Metropolen-Universität Tokio bietet einen frischen Weg, um diesen Zusammenhang zu verstehen. Die Arbeit führt ein Konzept namens „chemisches Potenzial-angepasste Dunkle Materie“, kurz µDM, ein. In diesem Modell sind die unsichtbare Dunkle Materie und die sichtbare Materie nicht nur Nachbarn im Kosmos; sie sind durch eine gemeinsame physikalische Bedingung verbunden, die im frühen Universum herrschte. Der Forscher legt nahe, dass die Menge der Dunklen Materie, die wir heute sehen, direkt durch denselben physikalischen Faktor bestimmt wird, der die Menge der gewöhnlichen Materie festgelegt hat. Dieser Faktor ist eine Art Druck oder Bias, bekannt in der Physik als chemisches Potenzial, der kurz nach dem Urknall auf das Universum wirkte. Als die Bedingungen im frühen Universum günstig waren, zwang dieser Bias die Dunkle Materie und die gewöhnliche Materie natürlich dazu, sich auf das heute beobachtete Verhältnis von etwa 5,36 zu 1 einzustellen.

Der Mechanismus beruht auf einer spezifischen Art von Dunkler Materie, die sich anders verhält als die Standardtheorien. Normalerweise würde eine Teilchenart, wenn sie leicht ist und in einer heißen, dichten Umgebung entstanden ist, sich so schnell bewegen, dass sie die Klumpenbildung von Materie, die für die Entstehung von Galaxien nötig ist, wegwischen würde. Dies ist das Problem der „heißen“ Dunklen Materie. Dieses neue Modell schlägt jedoch vor, dass die Teilchen der Dunklen Materie auf eine Weise produziert wurden, die es ihnen ermöglichte, schwer genug zu sein, um Strukturen zu bilden, aber leicht genug, um in den Massenbereich zu passen, der durch die Koinzidenz suggeriert wird. Die Arbeit legt nahe, dass diese Teilchen sehr leicht sein könnten, mit Massen zwischen der Energie eines Elektronenvolts und tausend Elektronenvolt. Dies ist unglaublich leicht im Vergleich zu einem Proton, aber schwer genug, um ein lebensfähiger Kandidat für die Dunkle Materie zu sein, die unser Universum formt.

Um dies zu ermöglichen, beschreibt der Forscher ein Szenario mit einem Feld, das wie eine unsichtbare Flüssigkeit den Raum erfüllt und im frühen Universum rotierte. Während dieses Feld rotierte, erzeugte es einen Bias, der die Entstehung der gewöhnlichen Materie in eine bestimmte Richtung drängte. Gleichzeitig wurden die Wellen oder Anregungen in eben diesem rotierenden Feld zu den Teilchen der Dunklen Materie. Da sowohl der Bias, der die gewöhnliche Materie erschuf, als auch die Teilchen, die zur Dunklen Materie wurden, aus derselben rotierenden Quelle stammten, sind ihre endgültigen Mengen mathematisch miteinander gekoppelt. Die Rotationsgeschwindigkeit dieses Feldes bestimmt die Masse der Dunklen Materie, und die Stärke des Bias bestimmt die Menge der gewöhnlichen Materie. Wenn man die Mathematik berechnet, ergibt sich das Verhältnis zwischen beiden natürlich als das Fünf-zu-Eins-Verhältnis, das Astronomen messen.

Die Arbeit untersucht zwei Hauptwege, wie dies geschehen könnte. Einer beinhaltet ein hypothetisches Teilchen, das einem Axion ähnelt – einem sehr leichten Teilchen, das vorgeschlagen wurde, um andere Probleme der Physik zu lösen. Wenn diese Teilchen Wände im frühen Universum bildeten, hätte die Bewegung dieser Wände den notwendigen Bias erzeugen können. Das zweite, und primäre Beispiel, betrifft ein Feld, das sich wie eine komplexe Welle verhält. Während diese Welle rotiert, erzeugt sie den Bias, der das Materieungleichgewicht erzeugt. Die Arbeit zeigt, dass dafür die Dunkle Materie eine Masse im Bereich von einigen Elektronenvolt bis zu einigen tausend Elektronenvolt haben muss. Wenn das Universum eine Periode schneller Expansion durchlief, die die Dichte von allem nach der Entstehung dieser Teilchen verdünnte, könnte die Dunkle Materie etwas schwerer sein, bis hin zur Masse von einer Million Elektronenvolt.

Diese Idee ist nicht nur eine theoretische Vermutung; es ist ein spezifisches Modell, das getestet werden kann. Der Forscher weist darauf hin, dass, falls diese Theorie korrekt ist, die Teilchen der Dunklen Materie leicht genug sein sollten, um von zukünftigen Experimenten detektiert zu werden. Instrumente wie der NIRSpec-Spektrograph des James-Webb-Weltraumteleskops oder spezialisierte Suchen nach schwach wechselwirkenden Teilchen könnten potenziell diese Teilchen oder die Signale finden, die sie hinterlassen. Das Modell legt auch nahe, dass der Prozess, der die Dunkle Materie erschuf, Spuren in der Art und Weise hinterlassen haben könnte, wie das Universum expandierte, oder in den Eigenschaften der Neutrinos, jener geisterhaften Teilchen, die alles durchdringen. Durch die Suche nach diesen spezifischen Signaturen könnten Wissenschaftler bestätigen, ob die Dunkle Materie und die gewöhnliche Materie tatsächlich Zwillinge sind, die aus demselben rotierenden Feld geboren wurden.

Der Vorschlag geht auch darauf ein, warum diese Dunkle Materie die Struktur des Universums nicht zerstört. Obwohl die Teilchen leicht sind, erklärt die Arbeit, dass sie auf eine Weise produziert worden sein könnten, die sie langsam bewegt lässt, sodass sie sich wie „kalte“ Dunkle Materie und nicht wie „heiße“ Dunkle Materie verhalten. Dies geschieht, wenn der Produktionsprozess durch einen Quanteneffekt verstärkt wird, der die Teilchen in einen langsam bewegenden Zustand konzentriert. Alternativ hätte eine schnelle Expansion des Universums nach der Entstehung der Teilchen sie abbremsen können, was es ihnen ermöglichte, zu verklumpen und die Galaxien zu bilden, die wir heute sehen. Diese Flexibilität bedeutet, dass das Modell mit dem übereinstimmen kann, was wir über die Bildung kosmischer Strukturen wissen.

Letztendlich bietet diese Arbeit einen neuen Weg zur Lösung eines der ältesten Rätsel der Kosmologie. Sie legt nahe, dass das seltsame Gleichgewicht zwischen den sichtbaren und unsichtbaren Teilen des Universums keine Koinzidenz ist, sondern das notwendige Ergebnis eines einzigen physikalischen Prozesses. Indem sie die Masse der Dunklen Materie mit den chemischen Bedingungen verknüpft, die die Materie in unseren Körpern erschufen, bietet das Modell ein einheitliches Bild davon, wie das Universum entstanden ist. Obwohl die Idee noch ein Vorschlag ist und weiterer Tests bedarf, zeigt sie, dass die Antwort auf das Rätsel der Dunklen Materie in einer einfachen, eleganten Verbindung zwischen den beiden Hälften unseres kosmischen Inventars liegen könnte. Der nächste Schritt ist zu sehen, ob das Universum dieser Berechnung zustimmt, indem man nach den leichten, langsam beweglichen Teilchen sucht, die diese Theorie vorhersagt.