Ein neuer theoretischer Ansatz, entwickelt von Yann Mambrini, Forscher am IJCLab, und seinen Mitarbeitern, schlägt nun vor, das Szenario der Entstehung der dunklen Materie gründlich zu überdenken, indem sie in den Mittelpunkt der allerersten Sekundenbruchteile des Universums gestellt wird.
Die Zusammenarbeit zwischen IJCLab und der University of Minnesota stellte ihre "UFO"-Theorie (Ultra-relativistic Freeze-Out) im Dezember 2025 in der Zeitschrift Physical Review Letters vor. Um sie zu verstehen, muss man zu den Ereignissen zurückkehren, die das frühe Universum strukturierten, also den geheimnisvollen ersten Augenblicken des Universums.
Nach den überzeugendsten Theorien durchlief das Universum zwischen 10-36 und 10-33 Sekunden nach dem Urknall eine spektakuläre Phase der Inflation, während der sich das Universum um mindestens einen Faktor von 1026 ausdehnte. Die Inflation hätte zur Bildung eines primordialen Plasmas geführt, eines thermischen Bads, aus dem die meisten Teilchen des Universums hervorgegangen wären.
In diesem anfänglichen Plasma vermuten die Wissenschaftler im Allgemeinen die Produktion der dunklen Materie, von der angenommen wird, dass sie "kalt" ist und im thermischen Gleichgewicht mit der gewöhnlichen Materie erzeugt wurde. Die Energie des Plasmas würde dunkle Materie in gleichen Mengen mit dieser beobachtbaren Materie erzeugen, bis die Produktion von dunkler Materie abbricht, wenn die Energie des Plasmas nicht mehr ausreicht, um beide zu produzieren.
Diese Hypothese ist für Theoretikerinnen und Theoretiker attraktiv, da sie eine dunkle Materie vorhersagt, die sowohl kalt genug (und daher statisch) ist, um den großen kosmischen Strukturen ein Gerüst zu bieten, als auch weniger dicht ist als gewöhnliche Materie.
Die berühmten WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), massereiche Teilchen, die über die schwache Wechselwirkung mit gewöhnlicher Materie interagieren würden, basieren auf diesem Schema. Aber nach Jahrzehnten der Suche tendiert das anhaltende Fehlen eines Signals in direkten Nachweis-Experimenten dazu, diese Hypothese zu schwächen. "Im Laufe der Jahrzehnte haben Experimente die Ausschlussbereiche so weit erweitert, dass die Existenz von WIMPs höchst unwahrscheinlich geworden ist", präzisiert Yann Mambrini. "Diese Spannung motiviert uns, unsere Sicht auf die Produktionsmechanismen der dunklen Materie und insbesondere deren Zeitlichkeit zu ändern."
Genau das schlägt die von diesem Team entwickelte UFO-Theorie vor. Sie legt nahe, dass dunkle Materie sehr früh erzeugt worden sein könnte, noch bevor sich das anfängliche Plasma bildete, und zwar durch den Zerfall von Inflatonen, hypothetischen Teilchen, die für die plötzliche Inflation des Universums verantwortlich sein sollen. Diese Materie wäre anfangs "ultra-relativistisch", also sehr heiß und extrem schnell gewesen, aber ihre Energie hätte sich sofort durch die rasante Ausdehnung des frühen Universums verdünnt.
Das Ergebnis: Sie hätte sich fast augenblicklich abgekühlt und wäre mit der Bildung großer kosmischer Strukturen kompatibel geworden. "Die von uns vorgeschlagene Materie ist heißer, verdünnt sich aber so schnell, dass sie ihre Energie viel früher verliert, als man sich vorstellte, und nur sehr geringe Entfernungen zurücklegt, was es Galaxien ermöglicht, sich um sie herum zu bilden", erläutert Yann Mambrini.
Die Bildungsmechanismen dieser "UFO"-dunklen Materie schränken die physikalischen Eigenschaften der Teilchen ein, die dazu passen könnten. Leichter als traditionelle WIMPs, mit Massen in der Größenordnung von MeV, würden die von dieser Theorie vorgeschlagenen Teilchen eine nicht zu vernachlässigende Kopplung an die gewöhnliche Materie über die schwache Wechselwirkung beibehalten, im Gegensatz zu den sogenannten "FIMP"-Szenarien (Feebly Interacting Massive Particles), die seit einigen Jahren im Trend liegen, deren außerordentlich schwache Wechselwirkungen aber keine Beobachtungen erlaubten.
Glücklicher Zufall: Masse und Wechselwirkungsbereich dieser Teilchen würden ihren Nachweis durch bestimmte, laufende oder geplante Detektoren für dunkle Materie ermöglichen. "Nachdem wir mehrere Jahre damit verbracht haben, den Zusammenhang zwischen der Bildung des primordialen Plasmas und dunkler Materie zu untersuchen, ist die Tatsache, dass unser Ergebnis sowohl konsistent als auch experimentell überprüfbar ist, äußerst stimulierend", freut sich Yann Mambrini.
Zu den Kandidaten-Experimenten zählen insbesondere XENON, das seit mehreren Jahren in Betrieb ist, DAMIC-M, von dem derzeit ein Prototyp in Aktion ist, oder TESSERACT, das in einigen Jahren im LSM installiert werden soll. Eine Anpassung der Einstellungen dieser Experimente würde ausreichen, um die Jagd auf diese vielversprechenden "UFOs" aufzunehmen.
Langfristig könnte sogar die direkte Erzeugung von UFO-ähnlichen Teilchen in Teilchenbeschleunigern in Betracht gezogen werden, über die Suche nach Signaturen fehlender Energie. Eine experimentelle Arbeit, die allein in der Lage ist, diese Theorie zu validieren oder zu widerlegen, wie viele Modelle der dunklen Materie vor ihr.