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ein Ring dunkler Materie

Dunkle Materie oder Hintergrundrauschen?

Fast ein Viertel unseres Universums soll aus Dunkler Materie bestehen. Bis heute konnte jedoch niemand ihre Existenz wirklich nachweisen. US-Forscher haben nun zumindest zweimal einen flüchtigen Blick auf ein Partikel erhascht, das als einer der führenden Kandidaten für den mysteriösen Stoff gilt.

Teilchenphysik 11.02.2010

Für einen echten Nachweis sei das allerdings zu wenig, wie die Physiker einräumen.

"Unsichtbare Kräfte"

Eine rätselhafte Kraft hält unser Universum zusammen. Denn gemessen an der vorhandenen Materie, rotieren Galaxien viel zu schnell; eigentlich müssten sie auseinanderdriften. Schon vor über 70 Jahren erfanden Astronomen daher das Konzept der Dunklen Materie - gewissermaßen als Hilfskonstrukt, um dieses Verhalten zu erklären.

Man nimmt an, dass der hypothetische Stoff zu wenig Licht oder andere Strahlung aussendet und daher unsichtbar ist. Lediglich durch ihre gravitative Wechselwirkung mit sichtbarer Materie kann sich Dunkle Materie bemerkbar machen, so die aktuelle Lehrmeinung.

Die Idee des geheimnisvollen Sternenkitts war lang Zeit höchst umstritten, aber zahlreiche Himmelsbeobachtungen, die sonst unerklärbar geblieben wären, überzeugten die meisten Astronomen von ihrer Existenz; die Dunkle Materie soll immerhin 23 Prozent des Universums ausmachen. Bis heute gibt es aber auch Zweifel daran, dann müsste man allerdings grundlegende physikalische Gesetze neu schreiben.

Woraus besteht eigentlich Dunkle Materie?

Gibt es die Dunkle Materie tatsächlich, bleibt die Frage: Woraus besteht der mysteriöse Stoff? Seine Eigenschaften legen jedenfalls nahe, dass er aus speziellen Elementarteilchen besteht, die die Teilchenphysik bis jetzt nicht kennt. Theoretisch gibt es bereits Ideen zu möglichen Bausteinen, in der Praxis - das heißt experimentell - konnten sie allerdings noch nicht nachgewiesen werden.

Zu den heißesten Kandidaten dafür zählen sogenannte WIMPs, was übersetzt so viel wie "Schwächling" bedeutet, in der Physik steht die Abkürzung für "weakly interacting massive particle". Man nimmt an, dass diese schweren, nur schwach wechselwirkenden Partikel in großer Zahl den Raum und aufgrund ihrer Beschaffenheit ganze Planeten völlig ungestört durchqueren können. Ein Nachweis erscheint nicht zuletzt deshalb recht unwahrscheinlich, wenn nicht unmöglich.

Suche nach der Stecknadel im Heuhaufen

Dennoch suchen Teilchenphysiker weltweit fieberhaft nach der sprichwörtlichen Stecknadel im Heuhaufen. Das US-amerikanische Forschungsprojekt "Cryogenic Dark Matter Search" (CMDS) beteiligt sich seit 2002 daran. Bei ihrer Suche gehen die Forscher davon aus, dass die WIMPs zwar sehr selten, aber doch ab und zu auf einen Atomkern aus "normaler" Materie treffen. Beim Aufprall sollte das durchziehende Teilchen Energie abladen, die mit Messgeräten, die empfindlich genug sind, gemessen werden kann.

Die Studie in "Science": "Dark Matter Search Results from the CDMS II Experiment" von Z. Ahmed et al.

Derartigen Messungen erfordern natürlich spezielle Apparaturen und eine entsprechende Umgebung, um Störeffekte zu vermeiden. Für ihre bereits zweite Experimentreihe haben die Physiker vom CMDS deshalb eine Anlage tief unter der Erde genutzt, im "Soudan Underground Laboratory", einer aufgelassenen Mine in Minnesota. Hier, in mehr als 600 Metern Tiefe, sind die Messungen vor kosmischer Strahlung und vor Störungen durch andere Teilchen weitgehend geschützt. WIMPs hingegen sollten gemäß der Theorie problemlos die dicke Gesteinsschicht durchdringen.

Zwei Ausnahmeereignisse

Der Teilchendetektor aus Germanium und Silicium arbeitet bei tiefkalten Temperaturen von etwa 50 Millikelvin, das sind weniger als minus 273 Grad Celsius, also knapp über dem absoluten Nullpunkt. Laut den Physikern ist die mit zahlreichen Sensoren ausgestattete und nur zehn Millimeter dicke Halbleiterplatte empfindlich genug, die spärliche Restenergie eines atomaren Zusammenstoßes zwischen WIMPs und Atomkernen zu messen. Außerdem sei die Apparatur imstande, die seltenen WIMP-Ereignisse von den häufiger auftretenden Kollisionen mit Photonen oder Elektronen zu unterscheiden - diese erzeugen nämlich eine höhere Ionisation. Das ermöglicht den Forschern, Fehlmeldungen auszuschließen.

15 Institutionen waren an den Messreihen der "CMDS" zwischen 2003 und 2009 beteiligt. Bei der Auswertung blieben zwei mögliche WIMP-Ereignisse über: eines am 8. August 2007, das zweite am 27. Oktober desselben Jahres. Leider sind zwei derartige Ereignisse für einen endgültigen Nachweis nicht ausreichend, fünf müssten es laut den Forschern zumindest sein. So bleibt eine Wahrscheinlichkeit von 1:4, dass die aufgezeichneten Vorfälle bloßes Hintergrundrauschen gewesen sind.

Dennoch: Durch die erfolgreichen Messungen werden die Bedingungen für derartige WIMP-Ereignisse immer strikter. Die physikalische Jagd nach dem unidentifizierten Teilchen kann also weitergehen.

Eva Obermüller, science.ORF.at

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