Dunkle Materie: Der unsichtbare Teil des Universums

Weltweit versuchen Forschende, den Eigenschaften der Dunklen Materie auf die Spur zu kommen. Die Dunkle Materie unterliegt nicht der elektromagnetischen Wechselwirkung, sie sendet also kein Licht aus und sie unterliegt auch nicht der starken Wechselwirkung, die Atomkerne zusammenhält. Sie unterscheidet sich damit grundlegend von der bekannten „sichtbaren” Materie. Bemerkbar macht sie sich vor allem durch die Gravitation. „Im Standardmodell der Elementarteilchen haben wir keine Erklärung – wir können aber ausschließen, dass es sich bei der Dunklen Materie um ein uns bereits bekanntes Teilchen handelt“, so Kathrin Valerius. „Wir sind nun auf der Suche nach neuen, bisher unentdeckten Teilchen, die uns auch zu einem neuen Verständnis der Teilchenphysik führen könnten.”

Die möglichen Bausteine sind vielfältig

Es gibt eine große Vielfalt an Kandidaten für Bausteine der Dunklen Materie, zum Beispiel superschwere Neutrinos oder sogenannte Axionen, die milliardenfach leichter als Elektronen sein könnten. Weitere Möglichkeiten sind WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), die eine tausendfach größere Masse als Protonen haben könnten, oder primordiale Schwarze Löcher, die sich mit dem Urknall gebildet haben könnten. Jede dieser Hypothesen geht mit unterschiedlichen Szenarien für die Entstehung, die Teilchenmasse und mögliche Wechselwirkungen der Dunklen Materie einher. Ebenfalls diskutiert wird die Hypothese, dass es gar keiner Dunklen Materie bedarf, sondern die Gravitationsgesetze sich auf großen kosmischen Skalen ändern.

Dr. Klaus Eitel, Leiter der Gruppe Dunkle Materie und Neutrinos am IAP, erläutert, warum WIMPs zu den am häufigsten gehandelten Kandidaten für die Dunkle Materie gehören: „WIMPs sind seit langem ein so attraktiver und viel gesuchter Kandidat, weil die theoretischen Modelle, die ihre Existenz vorhersagen, zwei sehr wichtige Eigenschaften vereinen: die erwartete sehr niedrige Wechselwirkungsrate dieser Teilchen und ihr Vorhandensein schon im frühen Universum in genau der richtigen Menge, um den fehlenden Beitrag zur Energiedichte des Kosmos zu erklären.“

Das XENON-Experiment

Diesem vielversprechenden Kandidaten auf die Spur kommen könnte man tief unter Tage: Abgeschirmt von den 1 400 Meter dicken Gesteinen des Apennins liegen tief unter dem Gran-Sasso-Massiv die Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), die zu den weltweit größten unterirdischen Versuchslaboren zählen. Die Felsen halten die kosmische Strahlung ab – Partikelschauer, die durch hochenergetische Teilchen aus dem Weltall in unserer Atmosphäre ausgelöst werden und auf die Erdoberfläche treffen. Die Abschirmung ist notwendig: In den LNGS befinden sich einige der empfindlichsten Experimente der Welt zur Untersuchung von Elementarteilchen und deren Wechselwirkungen.

Eines dieser Experimente ist XENONnT, das bisher größte und empfindlichste in den LNGS, mit dessen Hilfe etwa 180 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus weltweit mehr als 20 Institutionen nach WIMPs suchen. Aus Deutschland beteiligen sich Forschungsgruppen des KIT, der Universitäten Freiburg, Mainz und Münster sowie des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg.

Gestoßene Atomkerne und Lichtblitze

Wenn Dunkle Materie das ganze Universum und insbesondere Galaxien ausfüllt, werden auch die Erde und die Sonne bei ihrem Umlauf um das galaktische Zentrum ständig von Dunkler Materie durchströmt. In manchen Fällen könnte die Dunkle Materie mit Atomkernen zusammenstoßen und einen Teil ihrer Energie abgeben. Diese Reaktionen wären extrem selten, außerdem lägen sie voraussichtlich in einem Energiebereich, wo sie von vielen anderen Ereignissen, etwa natürlicher Radioaktivität oder kosmischer Strahlung überdeckt werden könnten. Entsprechend selektiv und empfindlich muss das Experiment ausgelegt sein.

 „Wir nutzen dafür bei XENONnT fast zehn Tonnen hochreines, bei -100 Grad Celsius verflüssigtes Xenon-Gas in einem Edelstahltank, der mit 500 hochempfindlichen Lichtsensoren bestückt ist“, erklärt Klaus Eitel. Trifft ein WIMP einen Xenon-Atomkern, so werden die Xenon-Atome durch den gestoßenen Atomkern angeregt und emittieren einen Lichtblitz, den die Lichtsensoren registrieren. Gleichzeitig werden durch den sich bewegenden Atomkern auch Elektronen in der Flüssigkeit freigesetzt, die durch ein elektrisches Feld an die Oberfläche geleitet werden, wo sie in einer dünnen Xenon-Gas-Atmosphäre einen zweiten Lichtblitz erzeugen.

„Die Kombination der beiden Lichtblitze in ihrer Stärke und ihrem zeitlichen Abstand ist dabei charakteristisch für einen gestoßenen Atomkern und kann sogar Hinweise auf die Masse des WIMPs geben“, so Klaus Eitel.  „Um Störsignale durch Radioaktivität und durch kosmische Strahlung an der Erdoberfläche bestmöglich abzuschirmen, befindet sich der Detektor nicht nur tief unter Tage, sondern wird zusätzlich durch einen großen Wassertank geschützt.“