Eine neue Arbeit in Physical Review Letters legt nahe, dass dunkle Photonen — einer der führenden Kandidaten für Dunkle Materie — das frühe Universum nie so erwärmt haben, wie Physiker annahmen. Damit öffnet sich ein riesiges Gebiet des Parameterraums für experimentelle Suchen wieder.
Dunkle Photonen sind hypothetische Teilchen, die mit gewöhnlicher Materie nur über eine schwache Mischung mit normalen Photonen wechselwirken würden. Physiker gingen lange davon aus, dass dunkle Photonen im heißen Plasma aus geladenen Teilchen, das den frühen Kosmos erfüllte, in gewöhnliches Licht übergehen, das Plasma weiter aufheizen und so nachweisbare Spuren hinterlassen würden. Kosmologische Messungen wurden genutzt, um einen breiten Bereich von Massen und Kopplungen dunkler Photonen auszuschließen.
Doch neue Computersimulationen von Junwu Huang und Mohamad Shalaby (Perimeter Institute) zusammen mit Anson Hook von der University of Maryland zeigen, dass sich der Umwandlungsprozess selbst abschaltet, bevor es zu nennenswerter Erwärmung kommt.
"Die Behandlung der letzten 15 Jahre ist eine lineare Behandlung. Wenn man diese Näherung verwendet, kann man die Menge des Energieübertrags berechnen — und sie ist sehr groß", sagte Huang. "Und mir wurde klar: Das ist nicht möglich."
Shalaby, Spezialist für Plasmaphysik, führte Simulationen durch, die zeigten, dass das System, sobald Energie dunkler Photonen ins Plasma fließt, heftig nichtlinear wird. "Wenn man Energie in das Standardmodell-Plasma überträgt, dreht das Plasma regelrecht durch", erklärte Huang. "Diese Nichtlinearitäten schalten die Energieumwandlung ab, nachdem nur eine winzige Menge Energie umgewandelt wurde."
Laut der neuen Analyse ist die herkömmliche Beschränkung über rund zehn Größenordnungen in der Masse ungültig — von etwa 10⁻¹⁵ bis 10⁻⁶ Elektronenvolt, also Frequenzen von ungefähr Kilohertz bis Gigahertz.
"Diese Ausschlüsse besagten, dass die Kopplung der Dunklen Materie 10⁸-mal schwächer sein müsse, als sie tatsächlich sein kann", sagte Hook. "Dieses Papier eröffnet viele neue Möglichkeiten, nach Dunkler Materie zu suchen."
Das Ergebnis könnte über dunkle Photonen hinausreichen: Dieselben linearen Näherungen liegen auch anderen astrophysikalischen Sonden zugrunde, etwa Suchen mit Neutronenstern- oder Weißer-Zwerg-Magnetosphären. "Das ist ein Testfall in der Kosmologie. Viele astrophysikalische Systeme wurden genutzt, um nach ähnlichen Effekten zu suchen — wir müssen sie alle überdenken", sagte Huang.
"Wenn man das Plasma des frühen Universums korrekt berechnet, werden Experimente neue Parameterräume untersuchen und möglicherweise tatsächlich etwas sehen", sagte Shalaby.
