„Große Ohren in einem stillen Raum“

Die Dynamik nahezu aller Galaxien lässt sich nicht allein durch die sichtbare Materie erklären. Diese und weitere astronomische Beobachtungen weisen auf eine Dunkle Materie hin, die nur über die Gravitation mit der gewöhnlichen Materie wechselwirkt. Woraus diese neue Materieform bestehen könnte, ist unklar. Ein vielversprechender Kandidat ist das sogenannte schwach wechselwirkende massereiche Teilchen oder kurz WIMP für den englischen Begriff „Weakly Interacting Massive Particle“. Mit verschiedenen Experimenten versuchen Forscher diese Teilchen aufzuspüren – bislang allerdings ohne Erfolg. Im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor haben Physiker nun den weltweit größten und empfindlichsten Detektor für WIMP-Teilchen gebaut und die ersten Messdaten aufgenommen. Welt der Physik sprach mit Manfred Lindner vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg über diesen neuen Detektor namens XENON1T.

Welt der Physik: Welche theoretischen Modelle gibt es, um Dunkle Materie zu beschreiben?

Manfred Lindner: Das Problem der Dunklen Materie lässt sich prinzipiell auf zwei mögliche Weisen lösen: Einerseits kann man sich vorstellen, dass im Universum etwas existiert, was wir bisher nicht gesehen haben – also Dunkle Materie. Andererseits könnte es sein, dass sich die Gravitation auf großen Skalen anders verhält als bislang angenommen. Gestützt auf den vielen Hinweisen, die wir bisher gesammelt haben, glauben die meisten Wissenschaftler aber, dass eine neue Form von Materie die Lösung für die bislang unerklärbaren Effekte ist. Man diskutiert verschiedene Kandidaten für Dunkle-Materie-Teilchen, wie beispielsweise Neutrinos – nahezu masselose Elementarteilchen –, die auch zur Dunklen Materie beitragen könnten. In jedem Kubikzentimeter des Universums befinden sich zu jedem Zeitpunkt 330 Neutrinos. Summiert man die Massen all dieser Teilchen auf, erhält man etwa 0,7 Prozent der Dunklen Materie. Ein sehr vielversprechender Kandidat für den Hauptanteil der Dunklen Materie ist das sogenannte WIMP-Teilchen.

Große Werkhalle, rechts ein großer Zylinder, links mehrere Maschinen auf mehreren Etagen.
XENON1T-Experiment im Gran-Sasso-Untergrundlabor

Warum gilt dieses hypothetische Teilchen als besonders vielversprechender Kandidat?

Das WIMP-Teilchen ist ein schweres Teilchen, dessen Eigenschaften denen von Neutrinos ähneln. Masse und Wechselwirkungen des Teilchens haben Wissenschaftler postuliert und es dann in theoretische Simulationen eingebunden, in denen sie die Entwicklung des Universums nach dem Urknall nachbilden – also etwa die Entstehung aller Teilchen und die Expansion des Universums. Es zeigt sich, dass die Simulation mithilfe der WIMP-Teilchen genau die geforderte Menge an Dunkler Materie liefert. Dies wird auch als WIMP-Wunder bezeichnet.

Wie lassen sich diese WIMP-Teilchen aufspüren?

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Dunkle Materie ausfindig zu machen. Man kann Dunkle-Materie-Teilchen indirekt nachweisen, indem man nach ihren Zerfallsprodukten sucht. Die WIMP-Teilchen – wenn sie denn existieren – sind sehr schwach wechselwirkende Teilchen. Das heißt, sie treten sehr selten mit anderen Teilchen in Wechselwirkung, aber ab und zu eben doch und das hoffen wir zu beobachten. Man kann sich das wie ein Billardspiel mit einer unsichtbaren weißen Kugel vorstellen, die die anderen Kugeln auf dem Tisch anstößt. Anhand der Dynamik dieser Kugeln kann man rekonstruieren, wie sich die unsichtbare Kugel bewegt haben muss. Mit dem XENON-Detektor suchen wir also gewissermaßen nach Billardkugeln, die von einer unsichtbaren Kugel – einem WIMP-Teilchen – angestoßen wurden. Auf diese Weise können wir auf die Masse und Energie des WIMP-Teilchens zurückschließen, aber das Teilchen selbst sehen wir nicht.

Wie ist der XENON-Detektor aufgebaut?

Mithilfe des Edelgases Xenon hoffen wir, die WIMP-Teilchen sehen zu können. Insgesamt befinden sich 3200 Kilogramm flüssiges Xenon im gesamten Experiment. Eine der Aufgaben unserer Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg betrifft die Reinheit des Detektors. Alle Materialien auf der Erde enthalten geringe Spuren von natürlicher Radioaktivität. Um möglichst wenig Radioaktivität in den Detektor einzubringen, war es daher erforderlich, alle verwendeten Materialien sorgfältig auszuwählen, zu verarbeiten und zu reinigen. Auf diese Weise haben wir zusammen mit der Kollaboration den weltweit empfindlichsten und „stillsten“ Detektor zum direkten Nachweis von Dunkler Materie gebaut. Wenn nun ein WIMP-Teilchen in flüssigem Xenon wechselwirkt, entstehen winzige Lichtblitze. Diese registrieren wir und schließen daraus – wie bei den Billardkugeln – auf den Ort der Wechselwirkung und die Energie des Teilchens.

Das Experiment lief nun für die ersten dreißig Tage. Welche Beobachtungen konnten Sie in dieser kurzen Zeit machen?

Eigentlich hatten wir vor, das Experiment länger laufen zu lassen. Aufgrund eines Erdbebens – das Epizentrum lag etwa 25 Kilometer entfernt – mussten wir die Messungen allerdings unterbrechen. Wir haben uns daher entschieden, die bis dahin aufgenommen Daten auszuwerten, während der Detektor nun weiter Daten aufnimmt. Und tatsächlich reichen diese dreißig Messtage schon aus, um alle Konkurrenzexperimente an Genauigkeit zu überholen. Die nächste Messphase soll länger sein, damit wir noch größere Fortschritte erzielen können.

Was würde passieren, wenn Sie ein WIMP-Signal im Detektor nachweisen?

Zwei Wissenschaftler im Schutzanzug arbeiten an einem von der Decke hängenden, kupferfarbenen Zylinder.
Aufbau des Experiments

Falls wir jemals ein Signal sehen sollten, muss man ganz genau hinschauen und sicherstellen, dass dies wirklich ein WIMP-Signal ist. Denn ein solches Signal könnte auch andere Ursachen haben, wie beispielsweise exotische kernphysikalische Effekte oder umweltphysikalische Einflüsse. Man würde also erst einmal genügend Daten aufnehmen, um das Signal zu bestätigen. Das Schöne ist, dass wir nicht mehr von jahrelangen Messphasen sprechen, sondern eher von Monaten.

Wenn Sie die WIMP-Teilchen am XENON1T-Detektor nicht finden können, heißt das dann, dass es diese Teilchen nicht gibt?

Man kann die Suche nach WIMP-Teilchen mit Columbus und seinen Entdeckungsreisen vergleichen. Man hatte damals verschiedene Ideen, wie die Welt aussehen könnte – eine Vorstellung war, dass die Erde rund ist und Indien nicht allzu weit im Westen liegt. Columbus fuhr also mit dem Ziel los, bald auf Indien zu stoßen. Und es gab drei mögliche Ausgangsszenarien: Er findet Indien wie erwartet und die Überlegungen bestätigen sich, er stößt auf ein völlig anderes Land oder aber er entdeckt gar nichts. Die letzte Variante wäre damals der Beweis dafür gewesen, dass die Erde nicht rund ist. Wenn wir also am XENON1T-Detektor in den nächsten Jahren kein WIMP-Teilchen sehen können, wird der Punkt kommen, an dem wir zweifeln müssen, ob die Theorien richtig sind. Dies könnte zu einem Paradigmenwechsel führen – die Wissenschaft würde sich plötzlich sehr verändern, was auch ein wichtiges Ergebnis wäre. Alle Indizien, die man heute aus der Astrophysik, Kosmologie und der Teilchenphysik hat, lassen WIMP-Teilchen aber sehr plausibel erscheinen. Deswegen erwarte ich die kommenden Jahre mit Spannung. Dennoch könnte es auch gut sein, dass wir keine WIMPs finden. So oder so wird es eine spannende Reise, bei der XENON1T in den kommenden Jahren eine wichtige Rolle spielen wird.

Was würde das insgesamt für die Theorie der Dunklen Materie bedeuten?

Wenn man die WIMP-Teilchen in dem erwarteten Energiebereich nicht findet, würden andere mögliche Kandidaten für Dunkle Materie – beispielsweise Axionen – mehr Aufmerksamkeit bekommen. Aber es gibt auch eine Klasse von Teilchen, die nur über die Gravitation wechselwirken. Diese Teilchen wären wirklich sehr schwer nachzuweisen, wodurch das Problem noch sehr lange ungelöst bliebe. Das Rätsel könnte sich also in den nächsten Jahren lösen oder aber erst in vielen, vielen Jahren – alles ist möglich.