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Die Dunkle Materie

IZ:
Willkommen in Dresden ! Das Higgs-Boson , der Ursprung der Masse und die Dunkle Materie sind nachwievor Top-Themen der Elementarteilchenphysik . Mit enormen Aufwand sind in den letzten Jahrzehnten die Massen des Topquarks, des Higgsbosons und des Z-Bosons ermittelt worden, und dabei lassen sich diese Massen mit einer einfachen Formel berechnen. Die Natur ist offenbar einfach angelegt. Mit der Higgsformel m_n = v e^(-n/3) mit n= 1,2,3 ließ sich 2012 die Masse des Higgsbosons mit n=2 und mit 126.3 GeV in das Massenspektrum der Elementarteilchen gut einordnen. Der aktuelle Wert ist 125.3 GeV. Doch kommen wir zum derzeit aktuellen Thema , der Dunklen Materie . Kann Dunkle Materie am LHC erzeugt werden ? Neue Teilchen werden nach der erfolgreichen Entdeckung des Higgs-Bosons am LHC bei den höheren Kollisionsenergien erwartet .

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Erwartet werden erste supersymmetrische Teilchen. Das leichteste supersymmetrische Teilchen , das Neutralino, soll für die Dunkle Materie verantwortlich sein. Die Supersymmetrie erweitert das Standardmodell um über 100 freie Parameter. Ist das der richtige Weg ? Letztendlich muss es darum gehen, die Zahl der 25 freien Parameter des Standardmodells zu verringern, indem sie Schritt für Schritt von Naturkonstanten abgeleitet werden.

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Durch die Medien ging die sensationelle Nachricht , dass mit dem AMS- Detektor an der Raumstation ISS 400 000 überschüssige Positronen nachgewiesen wurden. Sie sollen Zerfallsprodukte sein, die beim Zusammenstoß von Dunkler Materie entstehen. Was verschafft denn der Dunklen Materie eine solche Aufmerksamkeit ?

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Es gibt im Kosmos Abweichungen von Newtons Gravitationsgesetz. Diesem Gesetz liegen Beobachtungsdaten zu Grunde, die über Jahrzehnte mit den einfachen Teleskopen der damaligen Zeit gesammelt wurden. Die Bewegung der Planeten um unsere Sonne stimmen hervorragend mit dem Gravitationsgesetz von Newton und den Gesetzen von Keppler überein. Je weiter die Planeten vom Schwerkraftzentrum Sonne entfernt sind, um so geringer sind ihre Umlaufgeschwindigkeiten. In den 20-iger Jahren stellte Zwicky beim Coma- Galaxienhaufen und in den 80-iger Jahren Vera Rubin bei der benachbarten Andromeda- Galaxie fest, dass es bei umlaufenden Sternen um das Galaxienzentrum Abweichungen vom Gravitationsgesetz gibt. Das sorgte für Aufsehen. Mit zunehmendem Abstand vom Galaxienzentrum blieben die Umlaufgeschwindigkeiten der Sterne konstant. Nach Newton sollten sie abfallen. Die Geschwindigkeiten am Rande der Galaxien sind so hoch, dass die Sterne aufgrund der berechneten Fliehkraft ins Weltall abdriften müssten . Was hält die Galaxien zusammen ? Man führt das auf die Dunkle Materie zurück. Die Galaxie müsste am Rand sechsmal soviel Masse haben, wenn das Gravitationsgesetz von Newton stimmen soll. Computersimulationen haben das Thema der Dunklen Materie nun in den Vordergrund gerückt.

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Computersimulationen sollen mit den Beobachtungsdaten in Einklang gebracht werden. Das kugelrunde Hallo um das Galaxienzentrum wird durch die Computersimulation gut abgebildet. Es gibt aber Anomalien, die von den Computersimulationen abweichen.

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Da ist zum einen die geringe Flächendicke der Galaxienscheibe. Nach den Computersimulationen sollten bei der geringen Dicke die Galaxienscheibe durch die Schwerkraft kollabieren. Da ist zum anderen die Beobachtung, dass die Geschwindigkeiten der Sterne am Rande der Galaxien gleich sind, unabhängig von der Größe der Galaxien. Und da ist zum Dritten, dass im optischen Spektrum unsichtbare Wasserstoffwolken jenseits des Galaxienrandes sich mit einer solch hohen Geschwindigkeit bewegen, dass sie eigentlich durch die Zentrifugalkraft in den Weltraum hinaus geschleudert werden müssten. Das wurde von Radioastronomen durch die Dopplerverschiebung der 21 cm – Linie des Wasserstoffs nachgewiesen. Eine weitere Beobachtung, die mit den Computersimulationen nicht vereinbar ist, ist die kleine Anzahl der Zwerggalaxien, die die Galaxie umkreisen. Weiterhin ist das Galaxienzentrum entkernt. Die Materiedichte sollte nach den Berechnungen viel größer sein. Es gibt also viele Probleme, die durch neue Theorieansätze zu lösen sind.

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Wie können wir das Gravitationsgesetz von Newton modifizieren und den Beobachtungsdaten anpassen? Welcher Faktor erzeugt beim Gravitationsgesetz F = G m₁ * m₂ / r² die größere Gravitationskraft, die die Wasserstoffwolken auf Ihrer Umlaufbahn um das Galaxienzentrum hält ?

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Wenn wir den Exponenten in r² gegen r gehen lassen , dann kommen wir zur MOND-Theorie , die bei den Spiralgalaxien und inzwischen auch bei den elliptischen Galaxien das Verhalten der Sterne am Galaxienrand gut beschreibt. Wir können aber auch bei konstanter Gravitationskonstante G die träge Masse m₂ der rotierenden Wasserstoffwolken größer werden lassen.

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Das ist ein revolutionärer Vorschlag. Elliptische Galaxien sind eingebettet in ein Halo von heißen Gaswolken aus Wasserstoff, die Röntgenstrahlen aussenden. Bei den Gaswolken wurden Temperaturen von 50 Millionen °K gemessen. Ihre Idee ist, den Wasserstoff schwerer zu machen, um mehr Gravitation zu erzeugen. Ist ultraschwerer Wasserstoff eine Alternative?

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Schweren Wasserstoff kennen wir von schweren Wasser D₂O. Superschwerer Wasserstoff ist das Tritium mit 2 zusätzlichen Neutronen. Ultraschwerer Wasserstoff wäre eine neue Form von Materie, die man am LHC herstellen könnte. So besteht das Wasserstoffatom { uud e } aus den Quarks und dem Lepton der ersten Familie. Ultraschwerer Wasserstoff bestünde dann aus den Quarks und Leptonen der 2. Familie. Hadronen mit 2 schweren c- Quarks wurden am LHC 2018 erstmals nachgewiesen. Sie zerfallen unter den gegebenen Bedingungen des LHC in kurzer Zeit in die Quarks der 1. Familie. Sind sie bei den Temperaturen der heißen Gaswolken stabiler? Ultraschwerer Wasserstoff aus {ccs µ} kann gegenüber dem gewöhnlichen Wasserstoff durch die stärkere Gravitationswirkung nachgewiesen werden.

IZ:
Das ist ein interessanter Gedankengang. Dunkle Materie bestünde demnach aus ultraschweren Wasserstoff. Schätzen wir die Masse eines ultraschweren Wasserstoffatoms aus { ccd µ } ! Das Xi+ { ccd } hat eine Masse von 3.6 GeV und ist viermal so schwer wie ein Proton. Wenn wir bedenken, dass aufgrund von Gravitationsmessungen die Dunkle Materie vier- bis sechsmal schwerer ist als normale Materie, dann sind wir mit unserem Gedankengang auf einem guten Weg.

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Man könnte also durch die Gravitationswirkung der Wasserstoffwolken Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Wasserstoffs ziehen. Das ist vergleichbar damit, dass wir am Anfang des 20. Jahrhunderts durch das Spektrum des Sonnenlichts Rückschlüsse auf die chemischen Elemente in der Sonne ziehen konnten. Wenn wir Glück haben, dann passt alles gut zusammen, und wir wissen dann, woraus Dunkle Materie besteht. Statt tief unter der Erde in Tunnels und Höhlen mit großem Aufwand nach den WIMPS als den leichtesten super- symmetrischen Teilchen zu suchen, könnte man die Rotationskurven der Wasserstoffwolken anhand der 21 cm – Linie konsequent vermessen , daraus die Masse und die Zusammensetzung des Wasserstoffs bestimmen und mit der Entfernung und der dortigen Vakuumtemperatur in Zusammenhang bringen. Die Quantentheorie und die Allgemeine Relativitätstheorie würden sich auf eine wunderbare Art ergänzen. Und wir wüssten endlich, warum es im Werkzeugkasten der Natur 3 Teilchen- Familien gibt, die sich nur durch ihre Masse unterscheiden. Beim Wasserstoffatom tritt die Gravitation als Restkraft nach außen in Erscheinung tritt und wird für die Allgemeine Relativitätstheorie relevant. Die Ladungserhaltungssätze schirmen die anderen Kräfte ab. .

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Wenn die Dunkle Materie aus ultraschweren Wasserstoff { ccs µ } bestehen sollte, dann müssen wir auch erklären können, warum die Quarks und Leptonen der 2. Familie beim ultraschweren Wasserstoff weitgehend stabil sind und schwere Atome bilden. Die Kollisionen der Protonen finden beim LHC bei den Betriebstemperaturen der supraleitenden Magneten statt. Die kurzen Lebensdauern der schweren Baryonen und Mesonen der 2. Familie sind eine Herausforderung.

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Wir unterschätzen den Einfluss der Thermodynamik. Sie spielt bei der ART und bei der QFT keine Rolle. Erst Stephen Hawking hat die Thermodynamik bei den Schwarzen Löchern als weitere Theorie in die Diskussion eingebracht. Die Gravitationseffekte der Dunklen Materie messen wir bei Entfernungen von Millionen Lichtjahren bei den dortigen extrem hohen Vakuumtemperaturen. Bei diesen Temperaturen ist das ultraschwere Wasserstoffgas stabil, so wie Wasserdampf bei hohen Temperaturen stabil ist. Im Sonnensystem gibt es aufgrund der relativ nahen Entfernung keine Dunkle Materie. Bis jetzt ist auch keine Dunkle Materie in unserem Sonnensystem nachgewiesen worden, und es macht auch keinen Sinn, danach zu suchen. Bei fallenden Temperaturen zerfällt das ultraschwere heiße Wasserstoffgas über schwere Mesonen bis zum normalen Wasserstoff {uud e} .

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Das heißt also, je weiter die Galaxie oder der Galaxienhaufen entfernt ist, umso größer ist auch der Anteil an Dunkler Materie und umso stärker ist die Raumzeit gekrümmt und umso größer ist die Vakuumtemperatur. Das stimmt mit den Messungen und Erfahrungen überein. Die Physikerin Lisa Randall entwickelt in ihrem neuen Buch „ Dunkle Materie und Dinosaurier“ eine Theorie, die Ihrer Hypothese von ultraschweren Wasserstoffatomen als Bestandteil der Dunklen Materie nahe kommt.

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Ausgangspunkt ihrer 2-Scheibentheorie DDDM waren Ergebnisse des Fermi-Satelliten, der Röntgenstrahlung bei der Untersuchung heißer Gaswolken detektiert hat. Die Frequenz der Röntgenstrahlung entsprach der beim Zerfall des Higgsbosons. Trotz der Möglichkeiten von Messfehlern und statistischen Abweichungen, entwickelten Lisa Randall und ihre Mitarbeiter die Theorie der partiell interagierenden Dunklen Materie, um das Problem des entkernten Galaxienzentrums anzugehen. Wenn die Dunkle Materie aus Teilchen besteht, die nur durch die Gravitationskraft wechselwirken, dann müsste die Dichte im Galaxieninneren viel höher sein. Dagegen sprechen die Beobachtungsdaten. Die Dunkle Materie besteht partiell aus schweren geladenen Teilchen, ähnlich wie beim Proton und beim Elektron. Das schwere und das leichte Teilchen ziehen sich mit einer dunklen elektromagnetischen Kraft an. Mit diesem Modell wurden die Abweichungen der Computersimulation von den Beobachtungsdaten geringer. Bei der 2-Scheiben Theorie besteht die galaktische Scheibe aus der gewöhnlichen Materie, die eine dünne Scheibe aus Dunkler Materie umhüllt. Die Dunkle Materie koexistiert mit der gewöhnlichen Materie. Die Theorie, die Lisa Randall auf Tagungen vertritt ist interessant, setzt aber neue Teilchen und eine neue Kraft voraus. Mit der Hypothese von ultraschweren Wasserstoffatomen könnte sie auf neue Teilchen und auf die neue Kraft verzichten.

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Die partiell interagierende Dunkle Materie hat neben der Gravitationsladung noch eine Ladung, die anziehend und abstoßend wirkt wie die elektrische Ladung bei der gewöhnlichen Materie. Beim Bohrschen Atommodell konnte man sich vor über 100 Jahren nicht erklären, warum das umlaufende Elektron nicht in einer Spirale in den Atomkern stürzt. Die Lösung des Problems war der Welle-Teilchen-Dualismus des Elektrons. Das Elektron als eine Wahrscheinlichkeitswelle im Grundzustand und das Wirkungsquantum verleihen dem Wasserstoffatom seine Stabilität. Könnte es einen ähnlichen Dualismus bei der 2-Scheibentheorie geben, der die Koexistenz von Dunkler und gewöhnlicher Materie gewährleistet ?

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Ultraschwerer Wasserstoff und gewöhnlicher Wasserstoff unterscheiden sich durch die Gravitationsladungen. Ein Elementarteilchen hat eine Masse, weil ihm Entropie entzogen wurde. Die Entropie ist als Wärmeladung zu verstehen. Das ist vergleichbar mit der Kondensation des Wasserdampfes, bei der an der Phasengrenze Kondensationsentropie entzogen wird. Wenn wir die Quark-, Leptonen- und Bosonen-Massen halblogarithmisch darstellen, entdecken wir die Skalensymmetrie. Die 3 Teilchenfamilien sind skalensymmetrisch und lassen sich durch Quantenzahlen darstellen. Ultraschwerer Wasserstoff und gewöhnlicher Wasserstoff haben unterschiedliche Quantenzahlen. Diese Skalensymmetrie und die anderen Eichsymmetrien machen die Quarks und Leptonen der 2. Familie und sorgen für eine gewisse Koexistenz mit den Quarks und Leptonen der 1. Familie. Die galaktische Scheibe aus dunkler Materie ist so nach Lisa Randall eingebettet in die galaktische Scheibe der gewöhnlichen Materie. Das schließt nicht aus, dass bei entsprechenden Temperaturen ein Anteil des ultraschweren Wasserstoffs in den gewöhnlichen Wasserstoff zerfällt. In unserem Sonnensystem gibt es nur noch gewöhnlichen Wasserstoff. Dunkle Materie ist nicht nachweisbar, weil keine Abweichungen von Newtons Gravitationsgesetz festgestellt wurden. Ausnahme ist die Perihel-Drehung des Merkur, die Einstein mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie erklären konnte.

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Kommen wir zurück zum Bohrschen Atommodell und dem Welle-Teilchen-Dualismus beim Elektron. Auf der Basis des Wirkungsquantums h ist er für die Stabilität des Wasserstoffatoms verantwortlich. Gibt es einen vergleichbaren Dualismus, der für die Koexistenz der Dunklen Materie in Form des ultraschweren Wasserstoffs mit der gewöhnlichen Materie in Form des gewöhnlichen Wasserstoffs verantwortlich ist ?

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Vergleichbar ist der Dualismus von Chaos und Ordnung auf der Basis der Boltzmann konstanten k. Berühmt ist die Formel von Albert Einstein E=mc² , die die Masse als Form der Energie darstellt mit allen ihren Konsequenzen. Sie sagt aber noch nichts über die Art der Energie aus. Erst der Higgsmechanismus leitet die Masse von der Kopplung an die Vakuumenergie mit dem Vakuumerwartungswerts v ab. Die Kopplungskonstanten der jeweiligen Elementarmassen des Standardmodells entsprechen thermodynamischen Wahrscheinlichkeiten mit den Werten W=e^-S/k. Genauer gesagt sind es Unwahrscheinlichkeiten, und ein Maß für die Unwahrscheinlichkeit ist die Information. Es mag etwas kompliziert erschienen, aber es ist eine Antwort auf offene Fragen. Es gibt diesen Dualismus von Rauschen und Information. Wir kennen Streulicht der Glühlampe und das kohärente Licht der LED-Lampe.

IZ:
Was zeichnet die Formel m=v e^-(S/k) gegenüber m=E/c² aus?

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Die Kopplungskonstanten e^-S/k sind kein Kontinuum sondern sie haben Quanteneigenschaften. Die Entropie S wird auch aus didaktischen Gründen als Wärmeladung bezeichnet. Die Wärme hat Quantencharakter wie das Licht. Wenn wir von vier unterschiedlichen Wärmeladungen und von Quantenzahlen ausgehen, dann können wir die Elementarteilchenmassen des Standardmodells abbilden. Das führt uns zu einer Quantengravitation auf der Basis gemessener Massen. Das leistet die Formel E=mc² nicht.

IZ:
Können Sie sich vorstellen, dass wir in den nächsten Jahren einen Nutzen aus dem Verständnis der Dunklen Materie ziehen können ?

Autor:
Die fossilen Energieträger gehen zur Neige. Sie tragen wegen der ungünstigen CO₂- Bilanz zur Klimaerwärmung bei. Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum und wird auch als Energieträger für die Elektromobilität in Erwägung gezogen. Die Herstellung durch die Elektrolyse von Wasser mit Hilfe der Sonnenenergie ist technisch machbar. Die große Herausforderung ist die Speichermöglichkeit des Wasserstoffs. Das Wasserstoffgas wird unter hohen Druck in schweren Transportbehältern aus Stahl verflüssigt. Wenn wir in der Lage wären, Dunklen, ultraschweren Wasserstoff zu erzeugen, zu speichern und in gewöhnlichen Wasserstoff zu überführen, dann stünde uns ein unbegrenztes Reservoir an sauberer Energie in Form von Gravitationsenergie zur Verfügung. Das ist eine Vision. Die Landung auf dem Mond, das miteinander Sprechen jenseits von Raum und Zeit waren auch Visionen. Am LHC wurden 2018 erstmals Xi- Baryonen mit 2 c- Quarks ccd+ erzeugt, um die starke Kernkraft zu studieren. Anstatt Xi-Baryonen als Teilchen der Dunklen Materie mit in Betracht zuziehen, hält man immer noch an den ersten supersymmetrischen Teilchen fest, bisher ohne Erfolg. Mit dem Baryon ccd+ aus der Xi- Familie und dem µ -Lepton hätten wir dann den Dunklen Wasserstoff, der die vierfache Masse des gewöhnlichen Wasserstoffs hat , wenn wir die Probleme der kurzen Lebensdauern noch lösen.

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Das Universum dehnt sich beschleunigt aus. Eine geheimnisvolle Dunkle Vakuumenergie treibt als Antigravitation das Universum auseinander. Mit einer russischen Protonrakete wurde das deutsche Röntgenteleskop eRosita auf seine Reise ins All geschickt. Es spürt bis zu einer Entfernung von 4 Milliarden Lichtjahren 100 Millionen Grad heiße Gaswolken zwischen den Galaxienhaufen auf, die sich durch harte Röntgenstrahlung bemerkbar machen. In unserem nächsten 2. Interview in Dresden wollen wir uns mit diesem großen Rätsel beschäftigen.

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