Dunkle Materie und Dunkle Energie bleiben rätselhaft

Etwa 95 Prozent des Kosmos bestehen aus Dunkler Materie und Dunkler Energie, über die bisher wenig bekannt ist. Zwei internationale Forscherteams haben mithilfe von Experimenten nach den Teilchen und Feldern gesucht, aus denen diese mysteriösen Komponenten des Universums bestehen – ohne Erfolg. Damit ziehen die Experimente neue Grenzen für theoretische Erklärungsansätze zur Dunklen Materie und Dunklen Energie, so die Wissenschaftler im Fachblatt „Science“.

Sphärische Kammer, in der Mitte eine Kugel, darüber zwei violette Punkte. Eine von unten nach oben gehende rote Linie deutet den Laserstrahl an.
Atominterferometer

Beobachtungen der Bewegung von Galaxien und Galaxienhaufen sowie die Untersuchung der kosmologischen Hintergrundstrahlung zeigen, dass die normale Materie, aus der Sterne, Planeten und auch Lebewesen bestehen, lediglich 4,9 Prozent der gesamten Masse und Energie des Kosmos ausmachen. Ohne die Schwerkraft der Dunklen Materie, die 26,8 Prozent beiträgt, würden Galaxien und Galaxienhaufen nicht zusammenhalten. Und die Dunkle Energie sorgt mit einem Anteil von 68,3 Prozent dafür, dass sich die Expansion des Kosmos nicht durch die Anziehungskraft der Materie verlangsamt, sondern im Gegenteil sogar beschleunigt.

Im Standardmodell der Teilchenphysik gibt es für die dunklen kosmischen Komponenten keine Erklärung. Deshalb gehen die Physiker davon aus, dass die Dunkle Materie aus bislang unbekannten Elementarteilchen jenseits des Standardmodells besteht, beispielsweise aus sogenannten WIMPs, schwach wechselwirkenden Teilchen. Mithilfe spezieller Detektoren sollte es möglich sein, extrem seltene Reaktionen zwischen solchen Teilchen und den Bestandteilen der normalen Materie nachzuweisen. Ein solches Signal müsste aufgrund der Bewegung der Erde relativ zur Dunklen Materie eine jährliche Modulation aufweisen.

Tatsächlich hat das DAMA/LIBRA-Experiment im Gran Sasso-Untergrundlabor in Italien in den vergangenen Jahren ein solches Signal gefunden, das aber durch andere Experimente nicht bestätigt werden konnte. Dieser Widerspruch lässt sich durch spezielle Formen von Dunkler Materie aufheben, deren Teilchen zwar mit DAMA/LIBRA, aber nicht mit den anderen Detektoren nachweisbar wären. Das XENON100-Experiment, das ebenfalls im Gran Sasso-Labor lokalisiert ist, entzieht diesen Erklärungen nun jedoch die Grundlage: Die Forscher finden mit erheblich größerer Genauigkeit keinerlei Signal, das zu diesen Erklärungen passt. Sowohl die Dunkle Materie selbst, als auch die DAMA/LIBRA-Ergebnisse bleiben somit rätselhaft.

Und auch die Dunkle Energie entzieht sich weiterhin einem direkten experimentellen Zugriff. Hoch im Kurs stehen bei Forschern sogenannte Chamäleon-Theorien, nach denen es sich bei der Dunklen Energie um ein Feld handelt, dessen Wirkung von der lokalen Massendichte abhängt. Ein Forscherteam der University of California in Berkeley hat nun versucht, ein solches Chamäleon-Feld mithilfe eines Atominterferometers nachzuweisen – ohne Erfolg. Die Forscher konnten die theoretischen Grenzen für Chamäleon-Theorie im Vergleich zu früheren Experimenten etwa um das Tausendfache verbessern. Weitere Verbesserungen an dem Experiment könnten schon bald einen völligen Ausschluss von Chamäleon-Feldern möglich machen, so das Team. Die Forscher weisen außerdem darauf hin, dass eine ganze Reihe anderer Erklärungsansätze für die Dunkle Energie zu ähnlichen Effekten in einem Atominterferometer führen sollte wie Chamäleon-Felder. Auch für solche alternativen Ansätze ergeben sich aus dem Experiment also starke Einschränkungen. Für die Dunkle Energie fehlt den Physikern also auch weiterhin, wie für die Dunkle Materie, eine experimentell belegte Erklärung.