Ein neues Fenster zur Dunklen Materie? "Dark Photons" starten durch

Über Jahre galt er als wissenschaftlich gescheitert: ein Teilchenkandidat, der den Anforderungen Dunkler Materie nicht standhielt. Doch eine neue Theorie ändert die Spielregeln - und bringt ihn zurück ins Zentrum der Debatte.

Comeback der Dark Photons: Rätsel gelöst?

Rund 85 Prozent der Materie im Universum entziehen sich jeder direkten Beobachtung. Diese sogenannte Dunkle Materie verrät sich nur über ihre Gravitation - sie hält Galaxien zusammen, beeinflusst ihre Rotation, lenkt Licht und prägt die großräumige Struktur des Kosmos. Was genau sie ist, bleibt unbekannt. Eine von vielen Ideen: Dunkle Photonen, also Teilchen, die dem Lichtteilchen ähnlich sind, aber Masse besitzen und mit gewöhnlicher Materie kaum wechselwirken.

Lange galt diese Teilchenart als aussichtslos. Der Grund: In klassischen Modellen entstehen dunkle Photonen sehr früh - zu einem Zeitpunkt, als das Universum noch extrem dicht und heiß war. Nach diesen Theorien würden sie sich unter solchen Bedingungen nicht als einzelne Teilchen halten, sondern sich zu langen, energiereichen Fäden verbinden: sogenannten kosmischen Strings. Diese Gebilde würden sich quer durch das junge All ziehen - wie Spannungsfäden in einem gespannten Netz.


Doch das macht sie als Dunkle-Materie-Kandidaten ungeeignet. Denn solche Strings könnten sich nicht zu den Strukturen verdichten, die wir heute beobachten - keine Galaxienhalos, keine großräumigen Klumpungen, keine wiedererkennbaren Muster im kosmischen Mikrowellenhintergrund. In dieser Form, so der Konsens, könnten dunkle Photonen nicht die unsichtbare Masse sein, die das Universum in Form hält.

Genau hier setzt ein neuer Vorschlag an, den David Cyncynates (University of Washington) und Zachary Weiner (Perimeter Institute) in Physical Review Letters veröffentlicht haben. Statt Dunkle Photonen früh entstehen zu lassen, verschiebt ihr Modell die Entstehung auf einen viel späteren Zeitpunkt im Kosmos - gerade spät genug, dass die Dichte gering ist, aber früh genug, um die Bildung großräumiger Strukturen nicht zu stören.

Der Trick liegt in einem zusätzlichen Feld, das sich mit der Zeit verändert - ein sogenanntes "skalares Feld". Dieses Feld sorgt zunächst dafür, dass dunkle Photonen praktisch masselos bleiben und damit auch nicht in Strings gefangen werden. Erst später, durch eine physikalische Instabilität (tachyonisch genannt), wächst ihre Masse stark an. "Das neue Feld macht die dunklen Photonen anfangs extrem leicht - dadurch lassen sie sich einfacher erzeugen als in bisherigen Szenarien", erklärt Cyncynates.

Das Ergebnis: keine kosmischen Fäden, sondern ein Meer aus wabernden dunklen Photonen, die sich wie normale Teilchen verhalten und damit realistische Kandidaten für Dunkle Materie darstellen. Die Autoren sprechen von einem "Runaway-Potenzial" - einem Prozess, bei dem sich die Teilchenproduktion quasi von selbst hochschaukelt.

Wir können das überprüfen

Die neue Theorie ist aber nicht nur ein wissenschaftliches Gedankenspiel - sie macht konkrete Vorschläge, wie sich dunkle Photonen tatsächlich nachweisen ließen. In der Arbeit nennt das Team gleich mehrere Experimente, die gezielt nach solchen dunklen Photonen suchen: etwa DM-Radio, ALPHA, Dark E-field oder MADMAX.

Sie alle setzen auf extreme Feinfühligkeit: In abgeschirmten Kammern, fern von jeder Störung, warten Detektoren darauf, dass sich ein Dunkler Photon - wenn es denn existiert - in ein gewöhnliches Lichtteilchen verwandelt. Möglich wird das durch ein physikalisches Prinzip, bei dem bestimmte Frequenzen den Effekt verstärken - ähnlich wie ein Radiogerät, das genau den richtigen Sender empfängt.

Ferner könnte die späte Entstehung dieser Teilchen auch Spuren in der Struktur des Kosmos hinterlassen haben: kleinere, dichtere Materieansammlungen - sogenannte Minihalos -, wie sie in gängigen Modellen nicht vorkommen. Künftige Teleskope könnten solche Strukturen womöglich erkennen, etwa durch feine Unregelmäßigkeiten in der Bewegung oder Helligkeit von Sternen.

Ein Teilchen, das lange als ausgeschlossen galt, rückt nun wieder ins Blickfeld - weil das neue Modell nicht nur spekuliert, sondern konkrete Spuren aufzeigt, nach denen sich suchen lässt. Ob Dunkle Photonen tatsächlich die Träger jener unsichtbaren Masse sind, die das Universum zusammenhält, bleibt offen. Aber die Richtung der Suche hat sich verändert - und mit ihr die Hoffnung, endlich Antworten zu finden.


Siehe auch: