Query: Was ist das kleinste Teilchen im Universum?

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Elementarteilchen sind unteilbare subatomare Teilchen und die kleinsten bekannten Bausteine der Materie. Aus der Sicht der theoretischen Physik sind sie die geringsten Anregungsstufen bestimmter Felder. Nach dem heutigen durch Experimente gesicherten Wissen, das im Standardmodell der Elementarteilchenphysik zusammengefasst ist, gibt es Dies ergibt zunächst 37 Elementarteilchen. Hinzu kommen Antiteilchen: 18 Anti-Quarks und 6 Anti-Leptonen. Bei den 8 Gluonen sind deren Antiteilchen bereits eingeschlossen. Die Teilchen Photon, Z und Higgs-Boson sind jeweils ihr eigenes Antiteilchen und W / W sind ihre gegenseitigen Antiteilchen. In dieser Zählung ergeben sich also insgesamt 61 Arten von Elementarteilchen.

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Der größte Teil der leichten Atomkerne entstand in den ersten Minuten des Universums während der primordialen Nukleosynthese. Die Beschreibung dieses Prozesses im Rahmen des Urknallmodells geht auf Ralph Alpher und George Gamow zurück, die die Alpher-Bethe-Gamow-Theorie entwickelten. Insbesondere der Massenanteil des Heliums von etwa 25 % der gewöhnlichen Materie (ohne Dunkle Materie) wird von den Urknallmodellen in sehr guter Übereinstimmung mit der beobachteten Häufigkeit vorhergesagt. Durch die Messung der Häufigkeit von selteneren Kernen wie Deuterium, Helium-3 und Lithium-7 kann auf die Dichte gewöhnlicher Materie im Universum geschlossen werden. Die gemessenen Häufigkeiten dieser Elemente sind im Rahmen der existierenden Modelle miteinander und mit anderen Messungen der Materiedichte konsistent.

Es gilt als unwahrscheinlich, dass das LSP an der elektromagnetischen oder der starken Wechselwirkung (als Träger von Farbladung) teilnimmt. Ansonsten wäre es während der Materie-Entstehung im frühen Universum mit der gewöhnlichen Materie kondensiert und wegen seiner großen Masse schon entdeckt worden.

Selbst mit Supercomputern ist es nicht möglich, die Vorgänge im gesamten bekannten Universum zu modellieren. Daher beschränkte man sich auf einen würfelförmigen Ausschnitt von 650 MPc bzw. 2 Milliarden Lichtjahren Kantenlänge. In diesen Bereich wurde Dunkle Materie von 10 Trillionen Sonnenmassen "eingebracht", die auf 2160³ ≈ 10 Milliarden virtuelle Teilchen gleichmäßig verteilt wurde. Zum Start der Simulation wurden der Verteilung der dunklen Materie winzige Dichteschwankungen aufgeprägt. Auch in der Realität müssen solche Unregelmäßigkeiten vorhanden gewesen sein, wie aus der Beobachtung der kosmischen Hintergrundstrahlung bekannt ist. Die Stärke der Unregelmäßigkeiten entspricht etwa der im realen Universum 10 Millionen Jahre nach dem Urknall. Das Programm berechnete nun die Bewegung eines jeden Teilchens aufgrund der Schwerkraft mit einer Schrittlänge von etwa einer Million Jahren. Wie dem realen Universum war auch der Simulation ein expandierender Raum zugrunde gelegt. Die Simulation endete nach etwa 11.000 Zeitschritten, was einer Zeitspanne von 14 Milliarden Jahren, also dem Alter des heutigen Universums, entspricht. Die Simulation lief 28 Tage auf 512 Prozessoren.

Im Rahmen der Kepler-Mission gab die NASA Anfang 2012 die Entdeckung des bis dahin (nach Planetengröße) kleinsten Planetensystems bekannt: Der ca. 120 Lichtjahre von der Erde entfernte Rote Zwerg Kepler-42 (seinerzeit als "KOI-961" bezeichnet) besitzt drei Gesteinsplaneten, die alle den Stern näher als die habitable Zone umrunden und somit für flüssiges Wasser zu heiße Oberflächen haben. Ihre Radien betragen das 0,78-, 0,73- und 0,57fache des Erdradius, der kleinste dieser Planeten ist damit ähnlich groß wie der Mars.

Ein beliebtes Modell ist die Supersymmetrie (SUSY), die für jedes Teilchen des Standardmodells die Existenz eines Superpartners vorhersagt. Aus SUSY-Teilchen könnte außerdem die bisher nicht identifizierte Dunkle Materie im Universum bestehen, deren Existenz bei den Kosmologen als sicher gilt. Dieses Modell krankt leider daran, dass der LHC bis zum Wert von etwa 1000 Protonenmassen keine Superpartner gefunden hat. Wenn es allerdings zwei SUSY-Teilchen mit ähnlichen Massen gäbe (etwa eines mit 550 Protonenmassen, ein zweites mit 500 Protonenmassen), so würde im Beschleuniger zunächst das schwerere von beiden erzeugt, das aber schnell in das leichtere SUSY-Teilchen und ein gewöhnliches Teilchen des Standardmodells mit etwa 50 Protonenmassen zerfiele (der LHC kann solche Zerfälle nicht detektieren). Teilchen mit diesen Eigenschaften erfordern aber die Existenz einer viel größeren Menge Dunkler Materie als die Astronomen beobachten.

Ein anderes wichtiges Ergebnis des HDF war die kleine Anzahl von Sternen, die man im Vordergrund gefunden hat. Seit Jahren versuchen Astronomen herauszufinden, woraus die so genannte Dunkle Materie besteht. Es ist Masse, die in direkten Beobachtungen nicht sichtbar ist, jedoch 90 % der Masse des Universums enthält. Eine Hypothese besagt, dass ein Teil der Dunklen Materie aus massiven astrophysikalischen kompakten Haloobjekten (MACHOs) besteht. Es sind schwache, aber massive Objekte wie Rote Zwerge oder Planeten in den äußeren Regionen der Galaxie. Durch das HDF wurde jedoch gezeigt, dass es keine größere Anzahl Roter Zwerge in den äußeren Schichten der Galaxie gibt.

Galaxienhaufen gehören zu den größten Strukturen im Universum. Schon lange vor dem beobachterischen Aufbruch im Röntgenbereich war bekannt, dass diese Haufen mit der Masse, die in den Galaxien leuchtet, nicht stabil sein können; sie schienen es aber zu sein. Heute ist bekannt, dass der größte Teil der fehlenden Masse in Form von dunkler Materie vorliegt (siehe Bullet-Cluster), jedoch nicht alles. Ein Teil der fehlenden Masse, immerhin mehr als in den Sternen gebunden ist, liegt in Form eines heißen Gases vor, das sich im Zentrum des Haufens sammelt. Dieses kann leicht mit Röntgensatelliten gesehen werden, jedoch nicht in anderen Spektralbereichen. Durch diese frühe Entdeckung der Röntgenastronomie wurde die Menge an bekannter baryonischer Masse im lokalen Universum auf einen Schlag etwa verdoppelt.

Der Big Rip (englisch etwa für „Das große Zerreißen“, vereinzelt auch „Endknall“ genannt) ist in der Kosmologie neben dem Big Crunch („Das große Zusammenkrachen“) und dem Big Freeze („Das große Einfrieren“, ewige Expansion [auch als "Big Chill" oder "Big Whimper" bezeichnet]) ein drittes hypothetisches Ende des Universums. Dabei nimmt die Expansionsrate, getrieben von einer wachsenden Phantom-Energiedichte, immer schneller zu und divergiert schließlich in dem "Big Rip" genannten singulären Ereignis. Die Phantomenergie ist eine Form der Dunklen Energie. Das Universum würde von den größten zu den kleinsten Strukturen zerreißen. Zuerst trifft es Galaxienhaufen, dann Galaxien, das Sonnensystem, die Erde, Atome und letztlich Elementarteilchen.

Am 11. Januar 2013 wurde die Entdeckung von U1.27 durch die University of Central Lancashire bekanntgegeben, die zu dem Zeitpunkt größte bekannte Struktur im Universum. Sie besteht aus 73 Quasaren und hat einen mittleren Durchmesser von 1,5 Milliarden Lichtjahren (500 Mpc) sowie eine maximale Ausdehnung von etwa 4 Milliarden Lichtjahren (1200 Mpc). Nach dem Forscher und Autor, Roger Clowes, wurde bis dato davon ausgegangen, dass die Existenz solch großer Strukturen im Universum nicht möglich ist und die maximale Größe 1,2 Milliarden Lichtjahre beträgt.