In einer kürzlich veröffentlichten Studie vermuten Teilchenphysiker der University of California Riverside, dass Dunkle Materie durch die Existenz einer neuen Dimension der Raumzeit erklärt werden könnte.
In der Astrophysik ist die Dunkle Materie es ist eine (noch theoretische) Form von Materie, die etwa 85% der Materie im Universum ausmacht. Die Existenz dieser unsichtbaren Kraft wird durch eine Vielzahl von Beobachtungen im Universum impliziert, einschließlich Gravitationseffekten, die durch anerkannte Gravitationstheorien nicht erklärt werden können. Da Dunkle Materie keine elektromagnetische Strahlung zu absorbieren, zu reflektieren oder zu emittieren scheint, war es bisher unmöglich, ihre Existenz zu messen oder definitiv nachzuweisen.
Das Studium der vierten Dimension
In einer Forschungsarbeit veröffentlicht im Journal of High Energy Physics, sagt ein Team von Physikern der UC Riverside, dass das Vorhandensein einer vierten Dimension die Existenz von Dunkler Materie erklären könnte und erklären könnte, warum sie unsichtbar bleibt.
„Unser beobachtetes Universum hat drei Raumdimensionen. Wir schlagen vor, dass es eine vierte Dimension geben könnte. Die zusätzliche Dimension könnte erklären, warum sich dunkle Materie so gut vor unseren Versuchen, sie im Labor zu untersuchen, versteckte“, sagt Dr. Philipp Tanedo, Assistenzprofessorin für Physik und Astronomie an der UC Riverside und Co-Autor der neuen Studie in einer Pressemitteilung.
Die vierte Dimension? Eine Jagd, die lange dauert
Vor der Hypothese einer neuen dunklen Dimension wurde lange Zeit die Existenz unsichtbarer Kräfte theoretisiert.
Es wurde zuerst von dem mathematischen Physiker und Ingenieur vorgeschlagen William Thomson in 1884.
Thomson ist auch als Lord Kelvin bekannt, nachdem er als erster britischer Wissenschaftler in das House of Lords berufen wurde.
Thomson schätzte, dass sich die Masse der Milchstraße von der leuchtenden Masse der sichtbaren Sterne unterschied, und kam zu dem Schluss, dass "viele unserer Sterne, vielleicht die große Mehrheit von ihnen, vielleicht dunkle Körper sind".
Im folgenden Jahrhunderthaben Wissenschaftler zahlreiche indirekte Beobachtungen gemacht, um Thomsons vermutete Existenz von "dunklen Körpern" oder das Vorhandensein einer Art unsichtbarer Materie zu unterstützen, die einen signifikanten Einfluss auf das Universum hat.
Wir sehen es nicht, aber wir wissen, dass es da ist
Der Hauptbeweis für die Existenz einer unsichtbaren Kraft stammt aus Berechnungen, die zeigen, dass sich Galaxien ohne eine große Menge unsichtbarer Materie weder bilden noch bewegen würden.
Bisher konnten die Wissenschaftler die Dunkle Materie nicht direkt nachweisen, was die meisten Physiker zu dem Schluss führt, dass die Substanz aus nicht-baryonischen oder subatomaren Teilchen bestehen muss, deren Masse geringer ist als die eines Protons. Die indirekten Beweise waren jedoch stark genug, um den größten Teil der wissenschaftlichen Gemeinschaft dazu zu bringen, die Existenz von Dunkler Materie (und tatsächlich von vier Dimensionen: MINDESTENS vier) allgemein zu akzeptieren.
"Wir leben in einem Ozean aus dunkler Materie, aber wir wissen sehr wenig darüber, was es sein könnte", sagte Tanedo. „Es ist eine der irritierendsten bekannten Unbekannten in der Natur. Wir wissen, dass es existiert, aber wir wissen nicht, wie wir danach suchen sollen oder warum es nicht dort aufgetaucht ist, wo wir es erwartet hatten."
Könnte eine 4. Dimension die Dunkle Materie erklären?
In der neuen Arbeit schlagen Tanedo und seine Kollegen vor, dass sich Teilchen der Dunklen Materie nicht wie Teilchen verhalten.
„Das Ziel meines Forschungsprogramms in den letzten zwei Jahren ist es, die Idee des ‚Gesprächs‘ dunkler Materie mit dunklen Mächten zu erweitern“, sagte Tanedo in der Pressemitteilung der UC Riverside. „Im letzten Jahrzehnt haben Physiker erkannt, dass neben der Dunklen Materie auch andere verborgene dunkle Kräfte die Wechselwirkungen der Dunklen Materie steuern können. Die Bestätigung ihrer Existenz könnte die Regeln für die Suche nach dunkler Materie komplett neu schreiben.
Tanedo wiederholt, dass diese Operation der "dunklen Kräfte" mathematisch durch eine Theorie beschrieben werden kann, die eine zusätzliche vierte Dimension einschließt.
Dunkle Materie würde als eine kontinuierliche Folge benachbarter Teilchen innerhalb dieser vierten dunklen Dimension erscheinen. Dies würde erklären, wie dunkle Materie einige der merkwürdigen Verhaltensweisen verursacht, die in kleinen Galaxien beobachtet werden.
Eine zusätzliche Dimension, eine wiederkehrende Idee
Obwohl die Existenz einer neuen vierten Dimension sensationell klingt, erklärte Tanedo, dass die zusätzlichen Dimensionen einfach ein mathematischer Trick sind, um selbst gewöhnliche Theorien zu beschreiben.
Schließlich wird die Idee, dass die Existenz aus einer Dimension besteht, tatsächlich aus vielen zusätzlichen Extra-Dimensionen, auch in der String-Theorie oder der des holographischen Universums allgemein erwähnt.
Unkonventionell denken
Frühere Untersuchungen zur Dunklen Materie konzentrierten sich hauptsächlich auf Theorien, die ein ähnliches Verhalten wie sichtbare Teilchen erklären. Tanedo und seine Forscherkollegen sagen, dass ihr neuer Ansatz zur vierten Dimension neue Möglichkeiten erkundet, die zuvor noch nicht in Betracht gezogen wurden.
Gewöhnliche Kräfte können als einzelne Teilchensorte mit einer festen Masse beschrieben werden.
Die vorgeschlagene Theorie sagte voraus, dass unsichtbare Teilchen durch eine unendliche Anzahl verschiedener Teilchen mit unterschiedlichen Massen beschrieben werden können, die als Kontinuums bezeichnet werden.
Verschiedene Kräfte
Die Forscher sagen, dass sich die kontinuierliche Kraft dieser unsichtbaren Teilchen stark von den Kräften unterscheidet, die von gewöhnlicher Materie wahrgenommen werden. „Bei der Gravitations- oder elektrischen Kraft, die ich in meinem Einführungskurs in Physik unterrichte, reduziert man die Kraft um den Faktor vier, wenn man den Abstand zwischen zwei Teilchen verdoppelt. Eine Dauerkraft hingegen reduziert sich bis zu einem Faktor von acht“, erklärt Tanedo.
In dem Papier sagen Physiker von UC Riverside, sie hätten herausgefunden, dass eine kontinuierliche Kraft wie die vorgeschlagene Beobachtungen von Sternbewegungen im Universum replizieren könnte.
Nächster Schritt, ein "dunkles Photon"
Tanedos Team sagt, dass sie beabsichtigen, ihre Theorie durch die Erforschung eines „Dark Photon“-Modells weiter zu erweitern.
"Es ist ein realistischeres Bild für eine dunkle Macht", sagte Tanedo. „Dunkle Photonen wurden sehr detailliert untersucht, aber unsere vierdimensionale Struktur hat einige Überraschungen. Wir werden auch die Kosmologie dunkler Kräfte und die Physik schwarzer Löcher untersuchen.