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Dunkle Materie : Wo sind die Wimps?

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Dunkle Materie (bläuliche Linien) und Verklumpung von normaler Materie. Hier vor allem Gas- und Staubwolken. Bild: Illustris Collaboration

Woraus besteht die unsichtbare Dunkle Materie, die den Hauptteil des Universums bildet? Sind es unbekannte Elementarteilchen? Die Suche nach der ominösen Substanz wird zur Geduldsprobe.

          Immer noch keine Wimps: Auch der bislang empfindlichste Detektor für die Suche nach den schwach wechselwirkenden massiven Teilchen der Dunklen Materie ist leer ausgegangen. Zwanzig Monate lang hatten die Wissenschaftler des amerikanischen Experiments Lux (Large Underground Xenon) nach den seltsamen Partikeln gefahndet und fast eine halbe Million Gigabyte an Daten gesammelt. Doch alle bislang gemessenen Signale lassen sich mit Untergrundrauschen erklären, berichtete der Sprecher der Lux-Kollaboration Richard Gaitskell von der Brown University in Rhode Island kürzlich auf einer Tagung im englischen Sheffield.

          Die hypothetischen Wimps („Weak Interacting Massive Particles“) sind die derzeit favorisierten Kandidaten zur Erklärung der Dunklen Materie, die etwa vier Fünftel der Materie des Kosmos ausmacht. Alle Versuche, die Partikel nachzuweisen, sind allerdings fehlgeschlagen. Anderslautende Meldungen der vergangenen Jahre haben sich ausnahmslos als Fehlalarm herausgestellt oder sind unter den Wissenschaftlern umstritten. Physikalischen Modellen zufolge sollten pro Sekunde Milliarden von Wimps durch die Fläche einer menschlichen Hand strömen und die Erde in einem Meer von Wimps förmlich baden.

          Der Lux- Detektor, Ansicht von unten

          Weil die flüchtigen Teilchen jedoch mit den Atomen der üblichen Materie äußerst selten wechselwirken sollen, sind sie praktisch unsichtbar. Die Mehrheit der Wissenschaftler ist dennoch davon überzeugt, dass es die Dunkle Materie gibt: Astronomen beobachten die Wirkung der mysteriösen Materieform etwa in der Bewegung der Galaxien, Kosmologen nutzen sie zur Erklärung der Entwicklung des Universums.

          Eine Vielzahl von Möglichkeiten steht offen

          Das Lux-Experiment sucht nach Signalen von Wimps in einem mit 300 Kilogramm flüssigen Xenon gefüllten Tank. Obwohl die allermeisten der flüchtigen Teilchen auch das Edelgas weitgehend unbemerkt durchdringen, sollte es doch in seltenen Fällen zu Kollisionen von Wimps mit den schweren Xenonatomkernen kommen. Die dabei entstehenden kurzen Lichtblitze und elektrischen Entladungen sollen empfindliche Sensoren registrieren. Um den Detektor von jeglicher Störstrahlung abzuschirmen, wird er von einem 2700 Hektoliter fassenden Wassertank umfasst, der sich wiederum rund anderthalb Kilometer tief unter Fels in der ehemaligen Goldmine Homestake in South-Dakota befindet.

          Blick in das Innere von  Xenon1T: Zu sehen ist der Kryostat und der eigentliche Detektor (links)

          Trotz des ernüchternden Resultats wollen die Forscher noch nicht aufgeben. „Unsere Modelle zur Beschreibung der Dunklen Materie funktioniert weiterhin recht gut“, erklärt Gaitskell. Die Theorien sagen auch nicht ein einzelnes Teilchen mit definiert spezifischen Eigenschaften voraus, sondern bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten. So sei denkbar, dass das gesuchte Teilchen noch wesentlich schwächer mit normaler Materie in Wechselwirkung tritt als bislang vermutet. Zukünftige Experimente mit nochmals gesteigerter Empfindlichkeit sollen diese Hypothese überprüfen. Die Lux-Kollaboration arbeitet bereits an einem Nachfolger ihres derzeitigen Detektors. Lux-Zeplin soll um 2020 die Suche fortsetzen, mit 10 Tonnen flüssigen Xenons und verbesserter Technologie.

          Vielleicht wird man nicht so lange warten müssen: Derzeit nimmt ein ähnliches Experiment („Xenon1T“) mit einer Tonne flüssigem Xenon im Untergrundlabor Gran Sasso in Italien seinen Betrieb auf.

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