Wenn es darum geht, die Struktur des Universums zu verstehen, bleibt das meiste, was Wissenschaftler glauben, dass es existiert, einem dunklen, undurchsichtigen Bereich zugeordnet. Gewöhnliche Materie, also der Stoff, den wir sehen und berühren können, macht nur 5 % des Kosmos aus. Der Rest, sagen Kosmologen, ist dunkle Energie und dunkle Materie, mysteriöse Substanzen, die teilweise als „dunkel“ bezeichnet werden, um unsere Unkenntnis über ihre wahre Natur widerzuspiegeln.

Während wahrscheinlich keine einzelne Idee alles erklären wird, was wir über den Kosmos wissen wollen, könnte eine vor zwei Jahren eingeführte Idee einige große Fragen beantworten. Genannt Szenario der dunklen DimensionEs bietet ein spezifisches Rezept für dunkle Materie und legt eine enge Verbindung zwischen dunkler Materie und dunkler Energie nahe. Das Szenario könnte uns auch erklären, warum die Schwerkraft – die das Universum in den größten Maßstäben formt – im Vergleich zu den anderen Kräften so schwach ist.

Das Szenario schlägt eine noch nie dagewesene Dimension vor, die im ohnehin schon komplexen Bereich der Stringtheorie angesiedelt ist, die versucht, die Quantenmechanik und Einsteins Gravitationstheorie zu vereinen. Zusätzlich zu den vier bekannten Dimensionen – drei unendlich große Raumdimensionen plus eine der Zeit – legt die Stringtheorie nahe, dass es sechs äußerst kleine Raumdimensionen gibt.

Im Universum der dunklen Dimension ist eine dieser zusätzlichen Dimensionen deutlich größer als die anderen. Anstatt 100 Millionen Billionen Mal kleiner als der Durchmesser eines Protons zu sein, hat er einen Durchmesser von etwa 1 Mikrometer – nach alltäglichen Maßstäben winzig, im Vergleich zu den anderen jedoch riesig. In dieser dunklen Dimension werden massereiche Teilchen erzeugt, die die Gravitationskraft in sich tragen. Sie bilden die dunkle Materie, von der Wissenschaftler glauben, dass sie etwa 25 % unseres Universums ausmacht und den Klebstoff bildet, der die Galaxien zusammenhält. (Aktuelle Schätzungen gehen davon aus, dass die restlichen 70 % aus dunkler Energie bestehen, die die Expansion des Universums vorantreibt.)

Das Szenario „ermöglicht es uns, Verbindungen zwischen Stringtheorie, Quantengravitation, Teilchenphysik und Kosmologie herzustellen und gleichzeitig einige der damit verbundenen Rätsel zu lösen“, sagte er Ignatios Antoniadis, ein Physiker an der Sorbonne-Universität, der aktiv den Vorschlag zur dunklen Dimension untersucht.

Obwohl es noch keine Beweise dafür gibt, dass die dunkle Dimension existiert, liefert das Szenario überprüfbare Vorhersagen sowohl für kosmologische Beobachtungen als auch für die Tischphysik. Das bedeutet, dass wir möglicherweise nicht lange warten müssen, um zu sehen, ob die Hypothese einer empirischen Prüfung standhält – oder auf die Liste der verlockenden Ideen verbannt wird, die ihr ursprüngliches Versprechen nie erfüllt haben.

„Die dunkle Dimension, die man sich hier vorgestellt hat“, sagte der Physiker Rajesh Gopakumar, Direktor des Internationalen Zentrums für Theoretische Wissenschaften in Bengaluru, hat „den Vorteil, potenziell relativ leicht ausgeschlossen zu werden, wenn bevorstehende Experimente immer schärfer werden.“

Die dunkle Dimension erraten

Die dunkle Dimension wurde von einem seit langem bestehenden Rätsel um die kosmologische Konstante inspiriert – ein Begriff, der mit dem griechischen Buchstaben Lambda bezeichnet wird und den Albert Einstein 1917 in seine Gravitationsgleichungen einführte. Er glaubte wie viele seiner Kollegen an ein statisches Universum , Einstein fügte den Begriff hinzu, um zu verhindern, dass die Gleichungen ein expandierendes Universum beschreiben. Aber in den 1920er Jahren entdeckten Astronomen, dass das Universum tatsächlich anschwillt, und 1998 beobachteten sie, dass es beschleunigt wächst, angetrieben durch das, was heute allgemein als dunkle Energie bezeichnet wird – die in Gleichungen auch mit Lambda bezeichnet werden kann.

Seitdem ringen Wissenschaftler mit einem auffälligen Merkmal von Lambda: seinem geschätzten Wert von 10^-122 in Planck-Einheiten ist „der kleinste gemessene Parameter in der Physik“, sagte er Cumrun Vafa, ein Physiker an der Harvard University. Im Jahr 2022, während er mit zwei Mitgliedern seines Forschungsteams über diese fast unvorstellbare Kleinheit nachdenkt – Miguel Montero, jetzt am Institut für Theoretische Physik in Madrid, und Irene Valenzuela, derzeit am CERN – Vafa hatte eine Erkenntnis: Solch ein winziges Lambda ist ein wirklich extremer Parameter, was bedeutet, dass er im Rahmen von Vafas früheren Arbeiten in der Stringtheorie betrachtet werden könnte.

Zuvor hatten er und andere eine Vermutung formuliert, die erklärt, was passiert, wenn ein wichtiger physikalischer Parameter einen Extremwert annimmt. Sie wird als Distanzvermutung bezeichnet und bezieht sich auf „Distanz“ in einem abstrakten Sinne: Wenn sich ein Parameter in Richtung der entfernten Grenze des Möglichen bewegt und dabei einen Extremwert annimmt, hat dies Auswirkungen auf die anderen Parameter.

Daher sind in den Gleichungen der Stringtheorie Schlüsselwerte – wie Teilchenmassen, Lambda oder die Kopplungskonstanten, die die Stärke von Wechselwirkungen bestimmen – nicht festgelegt. Eine Änderung hat unweigerlich Auswirkungen auf die anderen.

Beispielsweise sollte ein außerordentlich kleines Lambda, wie beobachtet wurde, von viel leichteren, schwach wechselwirkenden Teilchen begleitet sein, deren Massen direkt mit dem Lambda-Wert verknüpft sind. „Was könnten das sein?“ fragte sich Vafa.

Als er und seine Kollegen über diese Frage nachdachten, erkannten sie, dass die Distanzvermutung und die Stringtheorie zusammen eine weitere wichtige Erkenntnis lieferten: Damit diese leichten Teilchen erscheinen, wenn Lambda nahezu Null ist, muss eine der zusätzlichen Dimensionen der Stringtheorie deutlich größer sein als die andere – vielleicht groß genug, dass wir ihre Anwesenheit erkennen und sogar messen können. Sie waren in der dunklen Dimension angekommen.

The Dark Tower

Um die Entstehung der vermuteten Lichtteilchen zu verstehen, müssen wir die kosmologische Geschichte auf die erste Mikrosekunde nach dem Urknall zurückspulen. Zu dieser Zeit wurde der Kosmos von Strahlung dominiert – Photonen und anderen Teilchen, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegten. Diese Teilchen werden bereits durch das Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben, aber im Szenario der dunklen Dimension kann eine Familie von Teilchen entstehen, die nicht Teil des Standardmodells sind, wenn die bekannten zusammenstoßen.

„Hin und wieder kollidierten diese Strahlungsteilchen miteinander und erzeugten so das, was wir ‚dunkle Gravitonen‘ nennen“, sagte er Georges Obied, ein Physiker an der Universität Oxford, der beim Basteln half die Theorie der dunklen Gravitonen.

Normalerweise definieren Physiker Gravitonen als masselose Teilchen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen und die Gravitationskraft übertragen, ähnlich wie die masselosen Photonen, die die elektromagnetische Kraft übertragen. Aber in diesem Szenario erzeugten diese frühen Kollisionen, wie Obied erklärte, eine andere Art von Graviton – etwas mit Masse. Darüber hinaus erzeugten sie eine Reihe unterschiedlicher Gravitonen.

„Es gibt ein masseloses Graviton, das übliche Graviton, das wir kennen“, sagte Obied. „Und dann gibt es unendlich viele Kopien dunkler Gravitonen, die alle massiv sind.“ Die Massen der postulierten dunklen Gravitonen sind grob gesagt eine ganze Zahl mal eine Konstante, M, dessen Wert an die kosmologische Konstante gebunden ist. Und es gibt einen ganzen „Turm“ davon mit einem breiten Spektrum an Massen und Energieniveaus.

Um einen Eindruck davon zu bekommen, wie das alles funktionieren könnte, stellen Sie sich unsere vierdimensionale Welt als die Oberfläche einer Kugel vor. Wir können diese Oberfläche niemals verlassen – weder im Guten noch im Schlechten – und das gilt auch für jedes Teilchen im Standardmodell.

Gravitonen können jedoch überall hingehen, aus dem gleichen Grund, aus dem die Schwerkraft überall existiert. Und hier kommt die dunkle Dimension ins Spiel.

Um sich diese Dimension vorzustellen, sagte Vafa, denken Sie an jeden Punkt auf der imaginären Oberfläche unserer vierdimensionalen Welt und befestigen Sie eine kleine Schleife daran. Diese Schleife ist (zumindest schematisch) die zusätzliche Dimension. Wenn zwei Teilchen des Standardmodells kollidieren und ein Graviton erzeugen, kann das Graviton „in diesen extradimensionalen Kreis eindringen und sich wie eine Welle um ihn herum bewegen“, sagte Vafa. (Die Quantenmechanik sagt uns, dass sich jedes Teilchen, einschließlich Gravitonen und Photonen, sowohl wie ein Teilchen als auch wie eine Welle verhalten kann – ein 100 Jahre altes Konzept, das als Welle-Teilchen-Dualität bekannt ist.)

Wenn Gravitonen in die dunkle Dimension eindringen, können die von ihnen erzeugten Wellen unterschiedliche Frequenzen haben, die jeweils unterschiedlichen Energieniveaus entsprechen. Und diese massiven Gravitonen, die sich um die extradimensionale Schleife bewegen, erzeugen einen erheblichen Gravitationseinfluss an der Stelle, an der die Schleife an der Kugel befestigt ist.

„Vielleicht ist das die dunkle Materie?“ Vafa überlegte. Die Gravitonen, die sie hergestellt hatten, waren schließlich nur schwach wechselwirkend, aber dennoch in der Lage, eine gewisse Gravitationskraft aufzubringen. Ein Vorzug der Idee sei, so bemerkte er, dass Gravitonen seit 90 Jahren Teil der Physik seien und erstmals als Träger der Gravitationskraft vorgeschlagen wurden. (Es sollte beachtet werden, dass Gravitonen hypothetische Teilchen sind und nicht direkt nachgewiesen wurden.) Um dunkle Materie zu erklären, „müssen wir kein neues Teilchen einführen“, sagte er.

Gravitonen, die in den extradimensionalen Bereich eindringen können, seien „natürliche Kandidaten für Dunkle Materie“, sagte er Georgi Dwali, Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik, der nicht direkt an der Idee der dunklen Dimension arbeitet.

Eine große Dimension wie die postulierte dunkle Dimension würde Platz für lange Wellenlängen bieten, was niederfrequente, energiearme und massearme Teilchen impliziert. Wenn jedoch ein dunkles Graviton in eine der winzigen Dimensionen der Stringtheorie eindringen würde, wäre seine Wellenlänge außerordentlich kurz und seine Masse und Energie sehr hoch. Solche supermassiven Teilchen wären instabil und sehr kurzlebig. Sie „wären längst verschwunden“, sagte Dvali, „ohne die Möglichkeit zu haben, im gegenwärtigen Universum als dunkle Materie zu dienen.“

Die Schwerkraft und ihr Träger, die Gravitonen, durchdringen alle Dimensionen der Stringtheorie. Aber die dunkle Dimension ist so viel größer – um viele Größenordnungen – als die anderen zusätzlichen Dimensionen, dass die Stärke der Schwerkraft abgeschwächt würde und sie in unserer vierdimensionalen Welt schwach erscheinen würde, wenn sie merklich in die geräumigere dunkle Dimension eindringen würde . „Dies erklärt den außergewöhnlichen Unterschied [in der Stärke] zwischen der Schwerkraft und den anderen Kräften“, sagte Dvali und bemerkte, dass derselbe Effekt auch in zu beobachten sei andere extradimensionale Szenarien.

Angesichts der Tatsache, dass das Szenario der dunklen Dimension Dinge wie dunkle Materie vorhersagen kann, kann es einem empirischen Test unterzogen werden. „Wenn ich Ihnen eine Korrelation gebe, die Sie nie testen können, können Sie mir nie das Gegenteil beweisen“, sagte Valenzuela, Mitautorin des Buches Originales dunkles Papier. „Es ist viel interessanter, etwas vorherzusagen, das man tatsächlich beweisen oder widerlegen kann.“

Rätsel der Dunkelheit

Astronomen wissen, dass Dunkle Materie – zumindest in irgendeiner Form – existiert, seit 1978 die Astronomin Vera Rubin feststellte, dass Galaxien so schnell rotieren, dass Sterne an ihren äußersten Rändern in die Ferne geschleudert würden, wenn es nicht riesige Reservoire an etwas Unsichtbarem gäbe Substanz, die sie zurückhält. Die Identifizierung dieser Substanz erwies sich jedoch als sehr schwierig. Trotz fast 40 Jahren experimenteller Bemühungen, Dunkle Materie nachzuweisen, wurde kein solches Teilchen gefunden.

Wenn sich herausstellt, dass es sich bei der Dunklen Materie um dunkle Gravitonen handelt, die äußerst schwach wechselwirken, wird sich daran nichts ändern, sagte Vafa. „Sie werden nie direkt gefunden.“

Aber es könnte Möglichkeiten geben, die Signaturen dieser Gravitonen indirekt zu erkennen.

Eine Strategie, die Vafa und seine Mitarbeiter verfolgen, basiert auf groß angelegten kosmologischen Untersuchungen, die die Verteilung von Galaxien und Materie kartieren. In diesen Verteilungen könnte es „kleine Unterschiede im Clusterverhalten“ geben, sagte Obied, die auf das Vorhandensein dunkler Gravitonen hinweisen würden.

Wenn schwerere dunkle Gravitonen zerfallen, erzeugen sie ein Paar leichterer dunkler Gravitonen mit einer Gesamtmasse, die etwas geringer ist als die ihres Elternteilchens. Die fehlende Masse wird in kinetische Energie umgewandelt (gemäß Einsteins Formel, E = mc²), was den neu erzeugten Gravitonen einen kleinen Schub verleiht – eine „Kick-Geschwindigkeit“, die schätzungsweise etwa ein Zehntausendstel der Lichtgeschwindigkeit beträgt.

Diese Stoßgeschwindigkeiten könnten wiederum die Entstehung von Galaxien beeinflussen. Nach dem kosmologischen Standardmodell beginnen Galaxien mit einem Materieklumpen, dessen Anziehungskraft weitere Materie anzieht. Aber Gravitonen mit ausreichender Trittgeschwindigkeit können diesem Gravitationsgriff entkommen. Wenn dies der Fall ist, wird die resultierende Galaxie etwas weniger massereich sein, als das kosmologische Standardmodell vorhersagt. Astronomen können nach diesem Unterschied suchen.

Aktuelle Beobachtungen der kosmischen Struktur aus der Kilo-Degree-Durchmusterung stimmen bisher mit der dunklen Dimension überein: Eine Analyse der Daten aus dieser Durchmusterung eine Obergrenze gesetzt auf der Trittgeschwindigkeit, die sehr nahe an dem von Obied und seinen Co-Autoren vorhergesagten Wert lag. Ein strengerer Test wird vom Weltraumteleskop Euclid durchgeführt, das im vergangenen Juli gestartet ist.

Unterdessen planen Physiker auch, die Idee der Dunklen Dimension im Labor zu testen. Wenn die Schwerkraft in eine dunkle Dimension mit einem Durchmesser von 1 Mikrometer eindringt, könnte man im Prinzip nach Abweichungen von der erwarteten Schwerkraft zwischen zwei Objekten suchen, die denselben Abstand haben. Es sei kein einfach durchzuführendes Experiment, sagte er Armin Shayeghi, ein Physiker der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, der den Test durchführt. Aber „es gibt einen einfachen Grund, warum wir dieses Experiment durchführen müssen“, fügte er hinzu: Wir werden nicht wissen, wie sich die Schwerkraft in so geringen Entfernungen verhält, bis wir hinschauen.

Das bislang nächstgelegene Messung – durchgeführt im Jahr 2020 an der University of Washington – umfasste eine 52-Mikrometer-Trennung zwischen zwei Testkörpern. Die österreichische Gruppe hofft, irgendwann den für die dunkle Dimension vorhergesagten 1-Mikrometer-Bereich zu erreichen.

Während Physiker den Vorschlag zur dunklen Dimension faszinierend finden, sind einige skeptisch, ob er funktionieren wird. „Die Suche nach zusätzlichen Dimensionen durch präzisere Experimente ist eine sehr interessante Sache“, sagte er Juan Maldacena, ein Physiker am Institute for Advanced Study, „obwohl ich denke, dass die Wahrscheinlichkeit, sie zu finden, gering ist.“

Joseph Conlon, ein Physiker aus Oxford, teilt diese Skepsis: „Es gibt viele Ideen, die wichtig wären, wenn sie wahr wären, es aber wahrscheinlich nicht sind.“ Dies ist einer von ihnen. Die Vermutungen, auf denen es basiert, sind ziemlich ehrgeizig, und ich denke, die aktuellen Beweise dafür sind eher schwach.“

Natürlich kann sich die Beweiskraft ändern, weshalb wir überhaupt Experimente durchführen. Wenn der Vorschlag zur dunklen Dimension durch bevorstehende Tests unterstützt wird, könnte er uns dem Verständnis näher bringen, was dunkle Materie ist, wie sie sowohl mit dunkler Energie als auch mit der Schwerkraft zusammenhängt und warum die Schwerkraft im Vergleich zu den anderen bekannten Kräften schwach erscheint. „Theoretiker versuchen immer, diese ‚Verbindung‘ herzustellen.“ Die dunkle Dimension ist eine der vielversprechendsten Ideen, die ich in dieser Richtung gehört habe“, sagte Gopakumar.

Ironischerweise kann die Hypothese der dunklen Dimension jedoch nicht erklären, warum die kosmologische Konstante so erstaunlich klein ist – eine rätselhafte Tatsache, die im Wesentlichen diese ganze Forschungslinie initiierte. „Es stimmt, dass dieses Programm diese Tatsache nicht erklärt“, gab Vafa zu. „Aber was wir auf der Grundlage dieses Szenarios sagen können, ist, dass, wenn Lambda klein ist – und wenn man die Konsequenzen darlegt – eine ganze Reihe erstaunlicher Dinge passieren könnten.“