Ein Forscherteam schlägt einen überraschenden Ursprung für dunkle Materie vor. Ihr Modell greift auf die erstaunlichen Eigenschaften von Supraleitern zurück, um dieses kosmische Rätsel zu erklären.
Laut dieser Theorie begann dunkle Materie ihre Existenz als Teilchen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegten. Diese den Photonen ähnlichen Teilchen hätten eine radikale Transformation durchlaufen, bei der sie massiv an Masse gewannen. Diese Veränderung wäre auf Wechselwirkungen zurückzuführen, die mit ihrem Spin zusammenhängen - ein Konzept aus der Quantenphysik.
Das von den Wissenschaftlern entwickelte Modell bietet eine überprüfbare Perspektive. Es sagt eine spezifische Signatur in der kosmischen Hintergrundstrahlung voraus, diesem fossilen Licht aus den ersten Momenten des Universums. Diese Spur könnte mit aktuellen oder zukünftigen Instrumenten wie denen des Simons Observatory in Chile nachgewiesen werden.
Die Forscher vergleichen diesen Prozess mit dem in Supraleitern beobachteten. In diesen Materialien bilden sich bei niedrigen Temperaturen Elektronenpaare, sogenannte Cooper-Paare. Ähnlich könnten sich die Teilchen der dunklen Materie gepaart und beim Abkühlen ihren Zustand verändert haben.
Dieser Ansatz vereinfacht das Verständnis dunkler Materie erheblich. Im Gegensatz zu anderen Theorien erfordert er nicht die Einführung zahlreicher zusätzlicher Annahmen. Er stützt sich auf bereits bekannte physikalische Mechanismen, was seine Glaubwürdigkeit stärkt.
Die Studie eröffnet spannende Perspektiven für die Kosmologie. Falls bestätigt, könnte sie nicht nur die Natur dunkler Materie erklären, sondern auch ihre Häufigkeit im Universum. Künftige Beobachtungen der kosmischen Hintergrundstrahlung werden entscheidend sein, um diese Hypothese zu testen.
Die Forscher betonen die mathematische Eleganz ihres Modells. Es beschreibt konsistent den Übergang zwischen einem hochenergetischen Zustand und einem kalten, massiven Zustand. Dieser Übergang könnte der Schlüssel zum Verständnis der großräumigen Struktur des Universums sein.
Wie können masselose Teilchen zu dunkler Materie werden?
Der vorgeschlagene Prozess beruht auf einem Mechanismus der Symmetriebrechung. Im frühen Universum interagierten die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegenden Teilchen stark miteinander. Diese mit ihrem Spin verbundenen Wechselwirkungen führten zu einem plötzlichen Energieverlust.
Dieser Energieverlust ähnelt einem Phasenübergang, wie dem von Wasser zu Eis. Die zunächst masselosen Teilchen erlangen dabei Masse. Dieses Phänomen ähnelt dem Higgs-Mechanismus, weist aber für dunkle Materie spezifische Eigenschaften auf.
Die Theorie legt nahe, dass dieser Prozess sehr früh in der Geschichte des Universums stattfand. Die damals herrschenden extremen Bedingungen ermöglichten diese einzigartige Transformation. Heute würden diese massiven, kalten Teilchen die dunkle Materie bilden, die wir nachzuweisen versuchen.
Welcher Zusammenhang besteht zwischen dunkler Materie und Supraleitern?
Supraleiter bieten eine Analogie zum Verständnis dunkler Materie. In diesen Materialien bilden Elektronen bei niedrigen Temperaturen Cooper-Paare. Diese Paare bewegen sich widerstandslos und erzeugen einen supraleitenden Zustand.
Analog dazu könnten sich die Teilchen der dunklen Materie im frühen Universum gepaart haben. Ihre durch den Spin vermittelte Wechselwirkung hätte zu einem Zustand ähnlich der Supraleitung geführt. Dieser Zustand würde ihren Übergang in eine massive, kalte Form erklären.
Diese Analogie ermöglicht den Einsatz bewährter mathematischer Werkzeuge aus der Festkörperphysik. Sie bietet auch Ansätze zum Nachweis dunkler Materie, indem nach ähnlichen Signaturen wie bei Supraleitern in der kosmischen Hintergrundstrahlung gesucht wird.
Quelle: Physical Review Letters