Mathias Becker hatte gerade eine Stelle an der Universität Padua angetreten, als sein Kollege eine Facharbeit vorstellte. »Die beiden Autoren, Clifford Cheung und Ira Rothstein, sind zwei eher formale Theoretiker«, sagt der Physiker. Sie hatten darin die mathematischen Eigenschaften einer hypothetischen Theorie untersucht – etwas, das üblicherweise in der praktischen Physik von heute keine große Rolle spielt. Doch während des Vortrags erkannte Becker, dass ein Aspekt des vorgestellten Papers in seiner Forschung hilfreich sein könnte. Denn die theoretische Konstruktion der Autoren führt zu Teilchen mit extrem kleinen Massen – und somit zu möglichen Dunkle-Materie-Kandidaten.

»Ich war gerade nach Italien gezogen und suchte nach einem neuen Forschungsthema«, erzählt Becker. Und so begann er, über eine neue Art von Dunkler Materie nachzudenken: jener mysteriösen Substanz, die unser Universum füllt, von der wir jedoch nicht wissen, woraus sie besteht.

In der Vergangenheit wurden viele mögliche Dunkle-Materie-Kandidaten postuliert: von bestimmten Neutrinos über Axionen bis hin zu WIMPs. Bislang fehlt aber von allen postulierten Teilchen jede Spur. Der Grund: Dunkle Materie scheint zwar massebehaftet und hinterlässt somit gravitative Spuren, doch sonst wechselwirkt sie wohl kaum mit gewöhnlicher Materie, was einen Nachweis mit herkömmlichen Detektoren erschwert.

Ein steiles Potenzial als Erklärung

In einer bald bei »Physical Review Letters« erscheinenden Arbeit hat Becker nun mit seinen Kollegen Francesco D’Eramo und Ville Vaskonen einen weiteren Kandidaten für Dunkle Materie vorgestellt, das »Wallion«. Dieses ähnelt den vom Physik-Nobelpreisträger Frank Wilczek vorgestellten Axionen: Es entsteht durch ein Quantenfeld, das ein bestimmtes Potenzial besitzt. »Man kann sich das Feld vereinfacht wie eine Kugel vorstellen, die sich in einer fast flachen Mulde bewegt, aber diese Mulde hat sehr steile Wände. Daher auch der Name Wallion«, erklärt Becker. Diese Form des Potenzials sei stabil und erzeuge Teilchen mit extrem geringer Masse. »Das sind beides Eigenschaften, die ein ultraleichter Dunkle-Materie-Kandidat braucht.«

In ihrer Arbeit haben die theoretischen Physiker zunächst einmal das Wallion-Modell aufgestellt und überprüft, ob es mathematische Schwierigkeiten gibt – oder ob es zu Ergebnissen führt, die bisherigen Beobachtungsdaten widersprechen. »Mich hat überrascht, dass die Idee im Endeffekt so gut funktioniert hat«, sagt Becker. »In der Physik besteht ein großer Teil der Arbeit darin, gute Ideen wieder zu verwerfen.« Das war bei den Wallionen nicht der Fall.

Als die Physiker das Wallion genauer untersuchten, stießen sie auf eine interessante Eigenschaft. Bei Axionen und ähnlichen Modellen hängt die Menge der Dunklen Materie im Universum vom Zustand ab, den das Quantenfeld nach der kosmischen Inflation hatte. Beim Wallion ist das anders: In bestimmten Fällen ist die heutige Dichte der Dunklen Materie unabhängig von diesem Anfangswert des Felds. »Das System vergisst gewissermaßen seine Anfangsbedingungen«, erklärt Becker. Damit hänge der Zustand des heutigen Universums weniger von zufälligen Ereignissen ab.

»Leider kann man nicht sagen, dass die Existenz des Wallions wahrscheinlicher ist als die anderer Dunkle-Materie-Kandidaten«Mathias Becker, Physiker

Für eine vollständige Wallion-Theorie müsste man erklären, wie das steile Potenzial entsteht, das die ultraleichten Dunkle-Materie-Teilchen erzeugt. Die Forscher haben eine mögliche »Dunkle« Wechselwirkung untersucht, die ähnliche Eigenschaften wie die starke Kernkraft hat und durch Quanteneffekte das Wallion-Potenzial formt. Falls es auch Wechselwirkungen mit gewöhnlicher Materie gäbe, ließen sich in künftigen Experimenten, etwa mit Atominterferometern, Hinweise darauf finden. Das ist laut Becker aber nur eine mögliche Erklärung für das Wallion-Potenzial: »Ich denke, es gibt auch andere Realisierungen, und ich wäre sehr froh, wenn diese in Zukunft ausgearbeitet würden.« 

Ob Wallionen nun wirklich existieren und die Dunkle Materie ausmachen, können letztlich nur Experimente zeigen. »Leider gibt es keinen Grund zu sagen, dass die Existenz des Wallions mehr oder weniger wahrscheinlich ist als die eines anderen Dunkle-Materie-Kandidaten«, so Becker. »Ich hoffe aber, unsere Arbeit zeigt, dass der Ansatz interessante phänomenologische Konsequenzen haben kann und es sich lohnt, ihn besser zu verstehen und zu erforschen.«