Der Dunklen Materie auf der Spur: Hinsetzen und Warten

Die Dunkle Materie ist schon eine eigentümliche Substanz. Wir wissen sicher, dass sie etwa 80 % der Materie im Weltall ausmacht, aber gesehen hat sie noch niemand. Das könnte daran liegen, dass sie aus WIMPs besteht, massiven Teilchen, die nur extrem schwachen Kraftwirkungen unterliegen und somit durch unsere gewöhnliche Materie einfach hindurchfliegen, als ob sie gar nicht da wäre (siehe wdp-Artikel "Dunkle Materie: Geheimnisvolle Teilchen im Verborgenen"). Wir wissen nicht genau, wie schwer diese WIMPs sind, aber wenn unsere theoretischen Erwartungen stimmen, dann wird z.B. eine Literflasche Milch zu jedem beliebigen Zeitpunkt immer gerade von einigen Teilchen der Dunklen Materie durchflogen. Diese bewegen sich dabei ungefähr so schnell, wie sich auch die Sonne auf ihrem Weg um das Zentrum der Galaxie bewegt, so etwa mit "gemächlichen" 220 Kilometern pro Sekunde.

Detektoren für Dunkle Materie

Nun ist es aber so, dass die WIMPs zwar furchtbar selten, aber halt doch gelegentlich an Materie "anstoßen". So könnte beispielsweise alle paar Jahre ein WIMP von einem Atomkern in unserem Liter Milch abprallen - mehr Unheil können die WIMPs bei ihren kleinen Geschwindigkeiten kaum anrichten. Das kann man sich vorstellen wie in einem Billardspiel, in dem die gespielte Kugel (das WIMP) gegen eine ruhenden Kugel (den Milch-Atomkern) stößt. Die ruhende Kugel erfährt dabei einen Rückstoß und das gleiche passiert auch mit unserem Atomkern - er fliegt plötzlich, wie von Geisterhand getrieben, zur Seite weg. Unser WIMP macht sich derweil unbemerkt aus dem Staub, denn es ist wirklich astronomisch unwahrscheinlich, dass er gleich nochmals auch nur in der Nähe unserer Milchflasche aneckt. Dennoch haben wir soeben eine Methode erfunden, WIMPs nachzuweisen, denn wenn sich solche Prozesse im Laufe der Zeit akkumulieren, wird unsere Milch schließlich zu Sahne oder Butter - und das können wir ja schließlich beobachten.

Leider hat diese schöne Idee einen Haken. Wir müssten extrem lange warten, bis die Milch sich durch die Dunkle Materie verändern würde, und leider gibt es zudem viele andere Prozesse, die ähnliche Effekte haben. So wird die Milch z.B. relativ schnell sauer und damit auch dickflüssig. Solche störenden Prozesse bezeichnen Physiker als "Untergrund" und die Kunst des Experimentators besteht darin, diesen möglichst weitgehend auszuschalten. Im Fall der Milch dürfte das wohl ziemlich schwierig werden.

Hochsensitives Kristall-Thermometer.

Bildbeschreibung:

Teilchenstöße in Kristallen erzeugen ein Zittern des Kristallgitters und Szintillationslicht. Beides kann über hochsensitive Thermometer gemessen werden.

Milch ist also kein besonders guter Detektor für Dunkle Materie. Aber die grundlegende Idee bei den über 20 ausgefuchsten Experimenten, die gerade durchgeführt werden oder in der Vorbereitung sind, ist genau die unseres Milchdetektors. Anstatt der Milch werden aber spezielle Kristalle oder flüssige Edelgase eingesetzt. Durch Teilchenstöße werden in diesen Materialien messbare Signale erzeugt. So wird durch den Rückstoß des getroffenen Atomkerns in einem Kristall ein winziges Zittern erzeugt, das man tatsächlich messen kann, wenn man tief in die Trickkiste der modernen Detektortechnologie greift. Außerdem können durch Teilchenstöße Elektronen aus Atomhüllen gerissen werden, was zu einem messbaren Ladungssignal führt. Schließlich können Atome angeregt werden, was mit einer kurzen Verzögerung zur Aussendung von sichtbarem Licht führt, dem so genannten Szintillationslicht. Mit empfindlichen Photosensoren kann man auch dieses messen.

Die moderneren Detektoren versuchen gleich mehrere oder alle dieser Messgrößen aufzunehmen, da sie ein ganz charakteristisches Muster für die gesuchten Stöße von Teilchen der Dunklen Materie ergeben. Und um nicht allzu lange warten zu müssen, bis endlich mal etwas passiert, versucht man Experimente zu bauen, die möglichst viel von dem delikaten Nachweismaterial enthalten, viele Kilogramm filigraner Kristalle oder sogar Tonnen von flüssigem Edelgas.

Das CRESST-Experiment

Testdetektor für CRESST-II.

Bildbeschreibung:

Prototyp eines Testdetektors für CRESST-II. Auf der linken Seite ist das Endstück des Detektormoduls mit dem Lichtdetektor zu sehen. Dieser besteht aus einem Siliziumwafer mit einem Sensor für Kristallgitterschwingungen in der Mitte. Rechts ist der zylinderförmige Kristall mit dem darauf liegenden Wolframthermometer zu erkennen.

Ein Beispiel ist das Experiment CRESST (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers), das von deutschen, englischen und italienischen Arbeitsgruppen durchgeführt wird. Es befindet sich in einem durch einen Straßentunnel zugänglichen Labor tief unter dem fast 3000 Meter hohen Gran Sasso Gebirgsmassiv in den Abruzzen. In diesem Experiment werden Kristalle als Nachweismedium verwendet, die bei einer Temperatur von nur wenigen tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt gehalten werden. An der Oberfläche jedes Kristalls ist ein dünner Metallfilm aufgebracht, dessen elektrischer Widerstand genau bei der eingestellten niedrigen Temperatur schlagartig auf Null absinkt, ein Phänomen, das als Supraleitung bekannt ist. Das durch einen Teilchenstoß ausgelöste Zittern im Kristall wird von dem Metallfilm eingefangen, wodurch sich die Temperatur des Films vorübergehend um einen winzigen Betrag erhöht und damit der elektrische Widerstand schlagartig ansteigt. Dieser Effekt wiederum wird mit einer so genannten SQUID (Supraleitende Quanteninterferenzeinheit) gemessen, einem trickreichen Gerät zum Nachweis winzigster Magnetfelder unter Ausnutzung tiefsinniger quantenmechanischer Effekte (siehe wdp-Artikel "Intelligente Materalien"). Damit wird der Metallfilm insgesamt zu einem extrem empfindlichen Thermometer.

Zusätzlich zum Kristallzittern kann der CRESST-Detektor auch noch das Szintillationslicht messen, das aus den Kristallen herauskommt. Dieses wird auf dünnen Siliziumplättchen absorbiert, auf denen sich ebenfalls Thermometer befinden, die mit SQUIDs ausgelesen werden. Der Stoß eines WIMPs gegen einen Atomkern der Kristalle hinterläßt als charakteristischen Fingerabdruck ein großes Signal vom Kristallzittern, begleitet von einem höchstens sehr schwachen Szintillationslichtsignal.

Prototypdetektor für CRESST-II mit Hilfsapparaturen.

Bildbeschreibung:

Der empfindliche Prototypdetektor von CRESST-II ist von tonnenschweren Hilfsapparaturen zur Kühlung und Abschirmung umgeben.

Da man mit Signalraten von Einzelereignissen pro Jahr rechnen muss, ist der Untergrund unbedingt so klein wie irgend möglich zu halten. So müssen die Detektoren z.B. gut gegen Teilchen aus der kosmischen Strahlung, die die Erde ständig von allen Seiten bombardieren, abgeschirmt werden. Daher baut man die Detektoren in Labors tief unter der Erde oder unter einem hohen Berg auf. Das das Labor umgebende Felsgestein gibt selbst wiederum Strahlung ab, die in unser Nachweismedium gelangen kann. Diese Strahlung muss durch aufwändige Abschirmungen ferngehalten werden, wobei die dafür verwendeten Materialien so rein sein müssen, dass sie nicht selbst das Experiment durch radioaktive Zerfälle "verschmutzen".

Im Herzen der Detektoren geht es dann ultrapenibel zu. Jedes Detektorteil, jede elektrische Verbindung und jeder Draht müssen sorgfältigst ausgewählt und bearbeitet werden, um sicherzustellen, dass man sich keine Untergrundquellen in der Nähe des Zentraldetektors einhandelt. Schließlich werden die Apparate noch mit Hilfsdetektoren umgeben, die Strahlung erkennen, die in den Detektor hineinfliegt oder diesen wieder verlässt, so dass ein großer Teil der verbleibenden Untergrundprozesse direkt erkannt werden kann. So kommt es, dass die kompletten Apparate ganze Hallen füllen und Dutzende von Tonnen wiegen, auch wenn der eigentliche Detektor für die Dunkle Materie nur einige Kilogramm oder sogar weniger wiegt.

Aufregende Ergebnisse beim DAMA-Expriment?

Die Perfektionierung der Detektoren ist heute in voller Blüte und die Qualität der Resultate wird stetig besser. Ein zweifelsfreies Signal hat bisher noch niemand gesehen, obwohl es vor einigen Jahren große Aufregung gab, als am DAMA-Experiment im Gran Sasso Labor eine Zählrate beobachtet wurde, die mit einer einjährigen Periode hin und her schwankte. Was ist daran so aufregend? Nun, unsere Galaxie ist wie jede andere Galaxie in einen großen Ballen (den "Halo") Dunkler Materie eingebettet. Wir wissen, dass sich die Sonne bei ihrer Bewegung um das Zentrum der Galaxie in diesem Halo mit einer Geschwindigkeit von etwa 220 km/s bewegt. Zusätzlich bewegt sich die Erde aber um die Sonne, was dazu führt, dass der Wind der Dunklen Materie hier auf der Erde mal etwas mehr und mal etwas weniger heftig bläst und zwar in einjährigem Rhythmus. Das würde ganz natürlich erklären, warum auch die Zählrate bei DAMA periodisch schwankt.

Trotzdem sind die Physiker noch sehr vorsichtig, dieses Resultat überzubewerten. Es gibt nämlich auch viele andere, ganz unspektakuläre Effekte, die einen einjährigen Rhythmus haben (z.B. das Wetter). Diese könnten trotz aller Sorgfalt der Experimentatoren vielleicht doch einen kleinen unbemerkten Resteinfluss auf die Messdaten gehabt haben. Außerdem ist es ziemlich schwierig, das DAMA-Resultat mit den Ergebnissen anderer Messungen in Einklang zu bringen. Mit anderen Worten: Neue, empfindlichere Experimente müssen entscheiden. Etwas Geduld ist noch nötig, aber die Erfolgsaussichten sind exzellent.