Supersymmetric Candidates for Dark Matter (in German)

Abbildung 1: (a) Der Gesamtenergieinhalt des Universums besteht nach heutigen Erkenntnissen zu ca. 73 % aus Dunkler Energie, zu ca. 22 % aus Dunkler Materie und nur zu ca. 5 % aus den bekannten Teilchen, die bisher in teilchenphysikalischen Experimenten entdeckt und untersucht werden konnten. (Grafik: MPI für Physik) (b) Illustration des Teilchenbeschleunigers LHC am Forschungszentrum CERN in Genf. Der große ringförmige LHC Beschleuniger (blau) hat einen Umfang von 27 km und befindet sich etwa 100 m tief unter der Erdoberfläche. An den Experimenten ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) und CMS (Compact Muon Solenoid) könnte bereits in den nächsten Jahren die Produktion und die Identifizierung des fundamentalen Bausteins der Dunklen Materie gelingen. (Grafik: CERN) Die bisher entdeckten fundamentalen Teilchen und ihr Verhalten in Experimenten werden sehr erfolgreich vom Standardmodell der Elementarteilchenphysik beschrieben. Basierend auf der Quantenfeldtheorie beschreibt dieses Modell drei der vier fundamentalen Kräfte: die elektromagnetische Kraft, die schwache Kraft und die starke Kraft. Die vierte Kraft, die Gravitation, ist bei den experimentell zugänglichen Energien sehr viel schwächer als die zuvor genannten. Sie wird von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie beschrieben, deren Verknüpfung mit der Quantentheorie noch immer zu den größten Herausforderungen der theoretischen Physik gehört.

Beobachtungen der Gravitationsfelder von Galaxien und Galaxienhaufen deuten auf die Existenz der Dunklen Materie hin. Zum Beispiel liefern die hohe Rotationsgeschwindigkeit der sichtbaren Materie in den äußeren Armen von Spiralgalaxien (Abb. 2a) oder die hohe Relativgeschwindigkeit von Galaxien in Galaxienhaufen Hinweise auf Gravitationsfelder, die viel stärker sind als die Gravitationsfelder, die man aufgrund der sichtbaren gewöhnlichen Materie erwartet. Die große Materieansammlung in einem Galaxienhaufen kann auch als Gravitationslinse wirken, die verzerrte Bilder dahinterliegender Galaxien liefert (Abb. 2b). Das Ausmaß dieser Verzerrungen lässt sich wiederum nur mit Gravitationsfeldern erklären, deren Stärke weit über der von der sichtbaren Materie erwarteten liegt. Galaxien und Galaxienhaufen müssen also zu einem Großteil aus Materie bestehen, die Licht weder absorbiert noch Die Dunkle Materie spielt nach heutigen Erkenntnissen insbesondere bei der Bildung der großräumigen Struktur im Universum (Abb. 2c) eine zentrale Rolle. Bereits die winzigen Temperaturschwankungen in der kosmischen Mikrowellenstrahlung (Abb. 2d), die von Satellitenund Ballonexperimenten sehr genau vermessen werden, lassen sich überzeugend erklären, wenn man die Existenz der Dunklen Materie annimmt. Analysen dieser Temperaturschwankungen ermöglichen eine genaue Bestimmung des Anteils der Dunklen Materie an der Gesamtenergie des Universums. Tatsächlich charakterisieren die Temperaturschwankungen in der kosmischen Mikrowellenstrahlung die Dichteschwankungen im frühen Universum, die der Ausgangspunkt für die spätere Bildung der Galaxien und Galaxienhaufen waren. Computersimulationen liefern -von den Anfangsbedingungen aus den Analysen der kosmischen Mi-krowellenstrahlung ausgehend -wertvolle Einsichten in die kosmische Strukturbildung. Unter der Annahme, dass die Dunkle Materie aus Teilchen mit vernachlässigbaren Geschwindigkeiten besteht, zeigen diese Simulationen ein Bild (Abb. 2c), das sehr gut mit der beobachteten Verteilung der Galaxien übereinstimmt.

Da die Dunkle Materie sichtbares Licht und auch elektromagnetische Strahlung mit anderen Wellenlängen weder absorbiert noch emittiert, müssen ihre Bestandteile elektrisch neutral sein. Sie müssen darüber hinaus entweder stabil sein oder eine Lebensdauer besitzen, die nicht weit unterhalb des Alters unseres Universums liegen kann. Mit einer kürzeren Lebensdauer wäre ein Großteil der Dunklen Materie heute bereits zerfallen. Dies widerlegen jedoch die auch noch in der Milchstraße und in nahegelegenen Spiralgalaxien beobachteten Effekte der Dunklen Materie.

Unter den bekannten Teilchen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik besitzen nur die Neutrinos die Grundeigenschaften der Dunklen Materie: Sie sind stabil, elektrisch neut

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