Ins Schwarze getroffen

Eines der größten Rätsel der heutigen Astrophysik ist das der dunklen Materie. Die beobachteten Galaxien haben in den meisten Fällen eine Form, die entsprechend dem Newtonschen Gravitationsgesetz nur dann möglich ist, wenn sie zu wesentlichen Teilen aus Materie bestehen, die wir nicht sehen. Diese Beobachtung hat eine ganze Disziplin astrophysikalischer Forschung hervorgerufen. Theorien, die diese Diskrepanz zwischen Beobachtung und Erwartung erklären, werden unter dem Begriff »Theorie der dunklen Materie« zusammengefasst.

Einige Theorien gehen davon aus, dass auf kosmischen Skalen das Gravitationsgesetz selbst nicht ganz stimmt, andere Theorien hingegen besagen, dass es wesentlich mehr schwarze Löcher gibt, als wir aktuell annehmen, und es wird eine Vielzahl an exotischer Materie postuliert, aus der jene dunkle Materie bestehen könnte. Als eine der vielversprechendsten Dunkle-Materie-Theorien gilt die WIMP‑Theorie. WIMP steht für »Weakly Interacting Massive ­Particle«, also schwach wechselwirkendes, schweres Teilchen. Ein WIMP ist also ein Elementarteilchen, das eine verhältnismäßig große Masse besitzt, ansonsten aber kaum Eigenschaften hat und vor allem so gut wie gar nicht mit anderen Teilchen interagiert. Die Physik kennt bereits eine Klasse von schwach interagierenden Elementarteilchen: die Neutrinos.

Neutrinos haben jedoch eine besonders geringe Masse, daher gilt es als weniger wahrscheinlich, dass dunkle Materie aus Neutrinos zusammengesetzt ist. Die macht nämlich etwa 85 Prozent der Gesamtmasse des Universums aus. Setzten sich diese 85 Prozent aus Neutrinos zusammen, müsste es wesentlich mehr Neutrinos geben als bislang gemessen. Allerdings könnte das auch daran liegen, dass unsere technischen und wissenschaftlichen Wege, Neutrinos zu beobachten, nicht gut genug sind. Zudem ist es in der Tat ein teures und aufwendiges Unterfangen, Neutrinos nachzuweisen. Das WIMP-Teilchen wiederum wäre ein ziemlich schwer zu entdeckendes Teilchen, doch seiner Masse nach wäre es so schwer, dass im Vergleich zum Neutrino eine deutlich geringere Menge WIMPs ausreichte, die gravitativen Effekte der dunklen Materie erklären zu können. Da ein solches Teilchen nun das Dunkle-Materie-Phänomen gut erklären könnte, wird gezielt nach solchen Teilchen gesucht. Bislang allerdings ohne Erfolg.

Die Auswertung von Daten, die ein auf WIMPs ausgelegter Teilchendetektor (der LUX-Zeplin-Detektor im US-amerikanischen South Dakota) im Jahr 2023 erhoben hat, weist jedoch aktuell darauf hin, dass ein solches WIMP tatsächlich nachgewiesen wurde. Teilchendetektoren funktionieren dadurch, dass das zu messende Teilchen ein Elektron aus einem Gasatom herausschlägt. Bei einer Nebelkammer, wie sie noch heute in Universitäten oder gut ausgerüsteten Schulen zu Demonstrationszwecken verwendet wird, kann man diese Effekte mit bloßem Auge sehen, da der Nebel an den durch diese Kollisionen entstehenden Ionen (denn Ionen sind Atome, aus denen ein Elektron herausgeschlagen wurde) kondensiert, so dass die Flugbahn der Teilchen als Spur im Nebel sichtbar wird.

Ein WIMP-Detektor besteht jedoch aus Edelgasen, die nur durch besonders energiereiche Kollisionen ionisiert werden können. Da WIMPs elektrisch neutral sind, interagieren sie wesentlich seltener mit Elektronen als geladene Teilchen, die man in einer Nebelkammer sichtbar machen könnte. Durch die in der Atmosphäre allgegenwärtige kosmische Strahlung und sonstige radioaktive Strahlung, beispielsweise aus dem Erdinneren kommend, wird ein Teilchendetektor vor allem Teilchen messen, die nichts mit dunkler Materie zu tun haben. Erst wenn man das herausgeschlagene Elektron und dessen Energie messen kann, kann man die Energie der Kollision messen. Liegt diese in einem spezifischen, besonders hohen Bereich, hat man einen WIMP-Kandidaten.

Nun kann es immer noch sein, dass ein solches Ergebnis durch eine Laune des Zufalls hervorgerufen wird. Die Forscher können diese Wahrscheinlichkeit allerdings in etwa abschätzen. Die aktuell publizierten Messungen weisen bisher keine hinreichende Signifikanz für den Nachweis eines WIMP auf, doch legen sie zumindest nahe, dass sehr wahrscheinlich eines gemessen wurde. Sollten demnächst mehrere solcher Messungen mit entsprechendem Ergebnis abgeschlossen werden, wäre das durchaus eine echte Sensation. Denn der Streit um die dunkle Materie wäre damit im wesentlichen beigelegt. Die Forscher im LUX-Zeplin-Detektor arbeiten gerade mit Hochdruck an weiterer Datenauswertung. Im Erfolgsfall dürfte ein Nobelpreis garantiert sein.