Dunkle Materie hält Galaxien zusammen, lässt sich aber bis heute nicht direkt nachweisen. Eine neue Theorie schlägt nun eine ungewöhnliche Erklärung vor, denn Dunkle Materie könnte in einer verborgenen fünften Dimension sitzen und dort mit einem hypothetischen Teilchen in Resonanz geraten. Die Geometrie dieser Extradimension würde die Massen der Teilchen wie von selbst aufeinander abstimmen. Das könnte erklären, warum sich der Stoff so hartnäckig der Beobachtung entzieht.
Dunkle Materie gehört zu den größten offenen Rätseln der Physik. Sie macht einen weit größeren Anteil an der Masse des Universums aus als alle sichtbaren Sterne, Planeten und Gaswolken zusammen. Ihre Existenz gilt als gut belegt, weil sie durch ihre Schwerkraft Galaxien zusammenhält und deren Bewegung prägt. Trotzdem hat noch nie ein Experiment ein Teilchen der Dunklen Materie direkt eingefangen. Sie sendet kein Licht aus, verschluckt keines und wechselwirkt, wenn überhaupt, nur äußerst schwach mit gewöhnlicher Materie. Genau diese Mischung aus überwältigender Wirkung und fast vollständiger Unsichtbarkeit macht sie so schwer greifbar. Eine neue theoretische Arbeit nähert sich dem Problem aus einer überraschenden Richtung.
Vorgelegt wurde die Theorie von Forschenden der University of Sheffield in Großbritannien und der Indiana University in den USA. Federführend ist der Physiker Yu-Dai Tsai, gemeinsam mit seinem Kollegen Taegyu Lee. Die beiden greifen eine mehr als hundert Jahre alte Idee auf. Schon in den 1920er Jahren schlugen Theodor Kaluza und Oskar Klein vor, dass es neben den bekannten Dimensionen von Raum und Zeit noch eine weitere, aufgerollte Dimension geben könnte. Diese wäre so winzig zusammengekrümmt, dass sie sich der direkten Beobachtung entzieht. Auf diesem Fundament bauen bis heute viele Versuche auf, die Grundkräfte der Natur zu vereinheitlichen. Das neue Modell überträgt den Gedanken konsequent auf die dunkle Seite des Kosmos.
Im Zentrum der Theorie steht ein hypothetisches Teilchen, das dunkle Photon. Ähnlich wie das gewöhnliche Photon das Licht und die elektromagnetische Kraft vermittelt, soll dieses Teilchen Kräfte innerhalb der dunklen Materie übertragen. Mit normaler Materie tritt es kaum in Kontakt. Ein dunkles Photon wäre also der unsichtbare Bote einer verborgenen Kraft. In dem im Fachjournal Physical Review D vorgestellten Modell teilen sich Dunkle Materie und dunkles Photon eine gemeinsame Bühne, nämlich die verborgene fünfte Dimension. Die Forschenden beschreiben die Teilchen als Fermionen, die sich in dieser Extradimension ausbreiten. Ihre Eigenschaften hängen dann unmittelbar von der Form und Geometrie dieses zusätzlichen Raums ab. Damit wird die Struktur der Dimension selbst zum entscheidenden Faktor.
Der eigentliche Clou der Arbeit ist ein Effekt, den die Forschenden Dunkle-Materie-Resonanz nennen. Die Geometrie der fünften Dimension zwingt die Massen der beteiligten Teilchen in ein festes Verhältnis. Besonders stark wird die Wechselwirkung, wenn die Masse des dunklen Photons ungefähr doppelt so groß ist wie die der Dunklen Materie. Dann geraten beide gewissermaßen in Resonanz, vergleichbar mit einem Musikinstrument, das bei genau der richtigen Frequenz besonders kräftig mitschwingt. Das Bemerkenswerte daran ist, dass sich dieses Verhältnis nicht künstlich einstellen lässt, sondern von allein aus der mathematischen Struktur der Dimension folgt. Frühere Modelle mussten eine solche Resonanz von Hand festlegen und die Massen mühsam feinjustieren. Im neuen Ansatz ergibt sie sich als natürliche Folge der Geometrie.
Die Idee, dass hinter der Dunklen Materie mehr steckt als ein einzelnes stummes Teilchen, ist nicht neu. So wird seit Jahren diskutiert, ob womöglich eine bislang unbekannte fünfte Kraft die Dunkle Materie beeinflusst. Das nun vorgeschlagene Resonanzmodell fügt dieser Debatte eine geometrische Deutung hinzu, die Teilchen und zusätzliche Dimension in einem gemeinsamen Rahmen zusammenbringt.
Besonders elegant löst das Modell einen scheinbaren Widerspruch. Die Resonanz wirkt nicht zu allen Zeiten gleich stark. Im frühen Universum, kurz nach dem Urknall, hätte sie die Wechselwirkungen der Dunklen Materie erheblich verstärkt. Das passt zu der Rolle, die dieser Stoff beim Zusammenwachsen der ersten Galaxien und großräumigen Strukturen gespielt haben muss. In der heutigen, weit auseinandergezogenen Welt dagegen fällt der Effekt kaum noch ins Gewicht. Die Dunkle Materie verhält sich jetzt beinahe reglos und wechselwirkt nur noch minimal mit gewöhnlicher Materie. Genau dieses zeitliche Verhalten könnte erklären, warum sie einerseits ganze Galaxien formt und andererseits in keinem Detektor auftaucht. Das Modell verbindet damit die ferne Vergangenheit des Kosmos mit einer der drängendsten Fragen der Gegenwart.
Nach Darstellung der University of Sheffield behandelten frühere Resonanzmodelle die Abstimmung der Massen lediglich als Annahme. Der neue Ansatz liefere dagegen einen tieferen Ursprung für dieses Muster, indem er es an die Geometrie verborgener Dimensionen knüpft. Damit rücke die Frage nach der Natur der Dunklen Materie und die Frage nach zusätzlichen Dimensionen erstmals in einen gemeinsamen theoretischen Rahmen.
Anders als viele rein theoretische Entwürfe macht das Modell überprüfbare Vorhersagen. Weil die Geometrie die Massen und die Stärke der Wechselwirkungen festlegt, ergeben sich konkrete Zielwerte für Experimente. Sowohl hochempfindliche Detektoren zum direkten Nachweis als auch Teilchenbeschleuniger könnten nach den vorhergesagten Signaturen suchen. Damit erhält die Jagd nach der Dunklen Materie neue, klar umrissene Angriffspunkte. Wie schwierig die Bestandsaufnahme des Kosmos insgesamt ist, zeigt sich auch an anderer Stelle, etwa als Forschende die lange gesuchte fehlende Materie des Universums aufspürten. Solche Fortschritte betreffen zwar die sichtbare Seite des Kosmos, verdeutlichen aber, wie viel selbst über die gewöhnliche Materie lange im Dunkeln lag.
Bei aller Eleganz bleibt die Arbeit vorerst reine Theorie. Sowohl das dunkle Photon als auch die passenden Teilchen der Dunklen Materie sind bislang nicht nachgewiesen, und die Existenz zusätzlicher Dimensionen ist nach wie vor spekulativ. Das Modell steht und fällt daher mit künftigen Messungen. Sein Wert liegt darin, dass es zwei große Rätsel der Physik miteinander verknüpft und dabei prüfbare Vorhersagen macht, statt sie offenzulassen.
Physical Review D, Naturally resonant dark matter from extra dimensions; doi:10.1103/tsq1-bhsz