Ausschnitt aus einer Spiralgalaxie (Draufsicht).

Dunkle Materie

Rund achtzig Prozent der Materie im Universum bestehen aus einem Stoff, den bisher noch niemand gesehen hat – aus Dunkler Materie. Insgesamt soll sie knapp 27 Prozent der Energiedichte im Weltall ausmachen, während die baryonische Materie, aus der alles uns Bekannte besteht, nur fünf Prozent beisteuert. Was hinter der Dunklen Materie steckt, versuchen Wissenschaftler mit verschiedenen Methoden herauszufinden.

Ein dreiteiliges Tortendiagramm
Materie- und Energieverteilung im Universum

Die ersten Hinweise auf die Existenz Dunkler Materie gab es bereits in den 1930er-Jahren, als der Schweizer Astronom Fritz Zwicky die Bewegungen von Galaxien im Coma-Galaxienhaufen untersuchte. Diese waren viel zu schnell, als dass die sichtbare Materie – Sterne, Gas und Staub – sie mit ihrer Schwerkraft im Galaxienhaufen hätte halten können. Erklärbar war dieses Phänomen nur durch die Annahme, dass es Unmengen an nicht sichtbarer Masse gibt, die für zusätzlichen Zusammenhalt unter den Himmelskörpern sorgt. Woraus genau besteht aber diese Materie, die sich anscheinend nur durch ihre gravitative Wechselwirkung mit herkömmlicher Materie zeigt und sich ansonsten der Beobachtung entzieht?

Sogenannte MACHOs (massive astrophysical compact halo objects, übersetzt: massereiche, astrophysikalische, kompakte Halo-Objekte), wozu beispielsweise Braune Zwerge und Schwarze Löcher zählen, kommen nicht als alleinige Erklärung infrage. Es muss sich tatsächlich um eine völlig neue Materieform handeln. Theoretische Physiker schlugen bereits eine Reihe hypothetischer Teilchen vor, aus denen die Dunkle Materie bestehen könnte. So hat beispielsweise das leichteste supersymmetrische Teilchen, das Neutralino, viele passende Eigenschaften. Das Neutralino ist ein möglicher Kandidat für die sogenannten WIMPs (weakly interacting massive particles, übersetzt: schwach wechselwirkende massereiche Teilchen), nach denen inzwischen viele Experimentalphysiker suchen. Dabei verfolgen sie drei verschiedene Ansätze.

  • Experimente in der Luft oder im All
    Man nimmt an, dass sich zwei WIMPs, wenn sie aufeinandertreffen, gegenseitig auslöschen und Energie in Form eines Photons freisetzen. Um diese Photonen oder Folgeprodukte wie Elektronen und Positronen nachzuweisen, begibt man sich in große Höhen. Denn in den unteren Atmosphärenschichten reagieren die Teilchen mit Luftmolekülen, werden einfach absorbiert oder lösen Teilchenschauer aus, sodass sie für die Messung verloren sind.
  • Untergrundexperimente
    Um die Wechselwirkung eines WIMPs mit einem gewöhnlichen Materieteilchen in einem Detektor nachzuweisen, muss dieser bestmöglich gegen kosmische Strahlung und andere Störquellen abgeschirmt werden. Entsprechende Labore errichtet man deshalb zumeist in ehemaligen Minen oder unter einem Berg. Da die gesuchten Wechselwirkungen äußerst selten auftreten, benötigen die Forscher außerdem viel Detektormaterial und lange Messzeiten.
  • Beschleunigerexperimente
    In großen Beschleunigeranlagen versucht man, Dunkle Materie künstlich zu erzeugen. Dazu sind sehr hohe Energien nötig. Zudem braucht man ausgeklügelte Algorithmen, um solche Prozesse, in denen WIMPs entstehen können, aus den vielen Ereignissen bei einer Teilchenkollision herauszufiltern. Ein typisches Indiz wäre zum Beispiel fehlende Energie, da die WIMPs beim Verlassen des Detektors für diesen unsichtbar sind, aber gleichzeitig viel kinetische Energie mit sich tragen.

 

 

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