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Gammastrahlensuche setzt neue Grenzen für Dunkle-Materie-Annihilation
Dunkle Materie bleibt unsichtbar, könnte sich aber durch energiereiche Gammastrahlen verraten. Eine Auswertung von 546 Beobachtungsstunden des H.E.S.S.-Teleskopsystems findet kein entsprechendes Signal, setzt für schwere Teilchenkandidaten aber die bisher engsten Grenzen. Unter einer verbreiteten Annahme zur Materieverteilung in der Milchstraße erreicht die Suche erstmals den für thermische Higgsinos erwarteten Bereich.
Heidelberg (Deutschland). Dunkle Materie macht rund 85 Prozent der Materie im Universum aus, doch ihre Teilchennatur ist weiterhin unbekannt. Zu den möglichen Kandidaten gehören schwere, schwach wechselwirkende Teilchen, die sich beim Zusammentreffen gegenseitig vernichten könnten und dabei Gammaphotonen mit einer charakteristischen Energie erzeugen würden.
Eine solche schmale Häufung bei einer bestimmten Energie würde sich als Gammastrahlenlinie vom glatteren astrophysikalischen Hintergrund abheben. Besonders aussichtsreich ist das Zentrum der Milchstraße, weil dort nach vielen Modellen viel Dunkle Materie konzentriert sein sollte und das Teleskopsystem High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) diese Region besonders lange beobachten kann.
Forscher der Universität Heidelberg um Alessandro Montanari haben nun für die internationale H.E.S.S.-Studie 546 Stunden Beobachtungen aus den Jahren 2014 bis 2020 ausgewertet. Die Daten stammen von fünf Cherenkov-Teleskopen in Namibia, die Lichtblitze aus Teilchenschauern in der Atmosphäre registrieren, aus denen sich die Energie der ursprünglich eingetroffenen Gammaphotonen rekonstruieren lässt.
Für die Suche wurde das beobachtete Gebiet in 25 ringförmige Regionen und das Energiespektrum in 61 Bereiche unterteilt, wobei die Analyse räumliche und spektrale Informationen in einem zweidimensionalen Likelihood-Verfahren kombinierte. Gesucht wurde nach der schmalen Linie, die bestimmte Modelle für schwach wechselwirkende massive Teilchen, kurz WIMPs, vorhersagen.
Eine statistisch signifikante Gammastrahlenlinie fanden die Forscher in keinem der räumlichen oder spektralen Bereiche. Dadurch konnten sie mit 95 Prozent Konfidenzniveau Obergrenzen dafür bestimmen, wie stark die gesuchte Annihilation bei Teilchenmassen von 300 Gigaelektronenvolt bis 70 Teraelektronenvolt höchstens sein kann. Im zugrunde gelegten Einasto-Modell der Milchstraße fällt die stärkste Grenze bei einer Teilchenmasse von rund 440 Gigaelektronenvolt auf 9,8 × 10⁻²⁹ Kubikzentimeter pro Sekunde.
Bei einer Masse von einem Teraelektronenvolt liegt die Obergrenze bei 2,3 × 10⁻²⁸ Kubikzentimeter pro Sekunde, bei zehn Teraelektronenvolt bei 2,4 × 10⁻²⁷. Damit setzt die Analyse unter der Einasto-Annahme die bislang engsten Grenzen für Gammastrahlenlinien aus TeV-schwerer Dunkler Materie, ohne dabei Dunkle Materie nachzuweisen.
Besonders relevant ist das Ergebnis für sogenannte Higgsinos, Winos und Quintuplets, also theoretische schwere Teilchenkandidaten, deren erwartete Annihilationssignale sich mit den neuen Grenzen vergleichen lassen. Für thermisch erzeugte Winos und Quintuplets liegen die Vorhersagen bei allen fünf untersuchten Modellen der Dunkle-Materie-Verteilung über den neuen Grenzwerten und werden damit ausgeschlossen.
Beim thermischen Higgsino, dessen erwartete Masse um ein Teraelektronenvolt liegt, erreicht die Suche unter dem Einasto-Profil erstmals die vorhergesagte Annihilationsstärke, was weder einen Nachweis noch einen vollständig modellunabhängigen Ausschluss bedeutet. Es zeigt aber, dass indirekte Gammastrahlensuchen nun in einen Parameterbereich vordringen, der für direkte Nachweismethoden und Teilchenbeschleuniger besonders schwer erreichbar ist.
Wie weit die Ausschlüsse reichen, hängt stark von der unbekannten Verteilung der Dunklen Materie im inneren Milchstraßenhalo ab, weshalb das Team neben Einasto vier weitere Profile getestet hat. Ein NFW-Profil verschlechtert die Grenze gegenüber dem Basismodell nur um etwa den Faktor 1,2, ein Profil mit abgeflachtem Kern dagegen um etwa den Fakt