Dunkle Materie: (Un)fassbare Schwergewichte
© CDMS/Berkeley (Ausschnitt)
Die Dunkle Materie ist überall und macht rund 85 Prozent der gesamten Materie im Universum aus. Die ersten Hinweise auf ihre Existenz lieferten Beobachtungen des Schweizer Astronomen Fritz Zwicky in den 1930er Jahren. Seitdem bestätigen weitere Untersuchungen der Rotation von Galaxien, des Gravitationslinseneffekts und der Struktur des Universums, dass es eine zuvor unbekannte Form von Materie geben muss, die Licht weder emittiert noch absorbiert. Dennoch war Jahrzehnte lang unklar, woraus diese eigentlich besteht.
Da sich die Dunkle Materie weder direkt beobachten, noch durch bekannte Teilchen erklären lässt, konzentrierte sich die Suche in den letzten Jahren mehr und mehr auf die von Theoretikern vorhergesagten schwach wechselwirkenden massereichen Teilchen, den so genannten WIMPs (Englisch für weakly interacting massive particles). Jedes dieser Teilchen sollte mindestens so schwer sein wie ein ganzes Atom, jedoch nur schwach mit der uns bekannten Materie wechselwirken.
Das Cryogenic Dark Matter Search II (CDMSII) Experiment in den Wäldern von Minnesota hat sich der Jagd nach diesen lichtscheuen Teilchen verschrieben. Es befindet sich mehr als 700 Meter unter der Erde in einem stillgelegten Bergwerk und besteht aus insgesamt 30 Detektoren aus Germanium- und Siliziumkristallen.
Diese werden bis auf –273,15 Grad Celsius heruntergekühlt und arbeiten damit bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Trifft ein WIMP auf einen der Kristalle, so löst es Schwingungen aus, welche die Temperatur des Detektors minimal erhöhen und außerdem eine kleine Ladungsverschiebung auf der Kristalloberfläche bewirken. Spezielle Sensoren messen diese Veränderungen und stellen sie auf Computern zur Datenauswertung bereit. Der Vergleich der Stärke und des Zeitpunkts mehrerer Signale gibt Auskunft, ob sie tatsächlich von WIMPs verursacht wurden.
Obwohl sich die Anlage unter mehr als 700 Meter Gestein befindet und zudem von einer dicken Bleischicht umhüllt ist, können gelegentlich eindringende Neutronen oder kosmische Strahlen ganz ähnliche Signale auslösen. Da das Experiment aber bereits seit dem Jahr 2003 in Betrieb ist, haben die Wissenschaftler umfangreiche Erfahrung im Herausfiltern störender Hintergrundsignale. Auf diese Weise ist das Experiment in der Lage, so wenige WIMPs wie ein einziges pro Jahr nachzuweisen.
Nach sorgfältiger Datenanalyse gehen die Wissenschaftler in ihren neu veröffentlichten Ergebnissen davon aus, dass es sich bei zwei Signalen mit 75 prozentiger Wahrscheinlichkeit um die mysteriösen Teilchen der Dunklen Materie handelt. Die zwei entdeckten WIMP-Kandidaten sind Teilchenschwergewichte mit Massen, die derjenigen von 30 bis 60 Protonen entsprechen.
Die Nachricht vom CDMSII-Experiment reiht sich ein in eine ganze Serie kürzlich gemeldeter Sichtungen von Dunklen Materie-Teilchen: Im August 2008 beobachtete das europäische Satellitenexperiment PAMELA Positronen, die wahrscheinlich durch Paarvernichtung aus Teilchen von Dunkler Materie entstanden sind.
Im Oktober 2009 beobachtete das Fermi Gamma-ray Space Telescope hochenergetische Strahlung im Zentrum unseres Milchstraßensystems, die ebenfalls als Signatur der Dunklen Materie gedeutet wurde. Bereits früher meldete auch das italienische Experiment DAMA die Entdeckung von Dunkler Materie. Die neuen Ergebnisse vom CDMSII-Experiment stimmen mit den Beobachtungen von PAMELA und Fermi überein, nicht jedoch mit den Vorhersagen von DAMA.
Sollte sich die Entdeckung als wahr herausstellen, könnten am Large Hadron Collider (LHC) am CERN in der Nähe von Genf in der Schweiz bald WIMPs erzeugt werden. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass bereits Ende nächsten Jahres WIMPs mit den vom CDMSII vorhergesagten Energien am LHC nachgewiesen werden können. Bestätigen sich die Ergebnisse, so wäre das Geheimnis der Dunklen Materie enträtselt und die Theorie zur Supersymmetrie, einer populären Theorie, welche sowohl die Dunkle Materie erklärt und gleichzeitig die Fundamentalkräfte vereint, bestärkt.
Janine Fohlmeister
Da sich die Dunkle Materie weder direkt beobachten, noch durch bekannte Teilchen erklären lässt, konzentrierte sich die Suche in den letzten Jahren mehr und mehr auf die von Theoretikern vorhergesagten schwach wechselwirkenden massereichen Teilchen, den so genannten WIMPs (Englisch für weakly interacting massive particles). Jedes dieser Teilchen sollte mindestens so schwer sein wie ein ganzes Atom, jedoch nur schwach mit der uns bekannten Materie wechselwirken.
Das Cryogenic Dark Matter Search II (CDMSII) Experiment in den Wäldern von Minnesota hat sich der Jagd nach diesen lichtscheuen Teilchen verschrieben. Es befindet sich mehr als 700 Meter unter der Erde in einem stillgelegten Bergwerk und besteht aus insgesamt 30 Detektoren aus Germanium- und Siliziumkristallen.
Diese werden bis auf –273,15 Grad Celsius heruntergekühlt und arbeiten damit bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Trifft ein WIMP auf einen der Kristalle, so löst es Schwingungen aus, welche die Temperatur des Detektors minimal erhöhen und außerdem eine kleine Ladungsverschiebung auf der Kristalloberfläche bewirken. Spezielle Sensoren messen diese Veränderungen und stellen sie auf Computern zur Datenauswertung bereit. Der Vergleich der Stärke und des Zeitpunkts mehrerer Signale gibt Auskunft, ob sie tatsächlich von WIMPs verursacht wurden.
Obwohl sich die Anlage unter mehr als 700 Meter Gestein befindet und zudem von einer dicken Bleischicht umhüllt ist, können gelegentlich eindringende Neutronen oder kosmische Strahlen ganz ähnliche Signale auslösen. Da das Experiment aber bereits seit dem Jahr 2003 in Betrieb ist, haben die Wissenschaftler umfangreiche Erfahrung im Herausfiltern störender Hintergrundsignale. Auf diese Weise ist das Experiment in der Lage, so wenige WIMPs wie ein einziges pro Jahr nachzuweisen.
Nach sorgfältiger Datenanalyse gehen die Wissenschaftler in ihren neu veröffentlichten Ergebnissen davon aus, dass es sich bei zwei Signalen mit 75 prozentiger Wahrscheinlichkeit um die mysteriösen Teilchen der Dunklen Materie handelt. Die zwei entdeckten WIMP-Kandidaten sind Teilchenschwergewichte mit Massen, die derjenigen von 30 bis 60 Protonen entsprechen.
Die Nachricht vom CDMSII-Experiment reiht sich ein in eine ganze Serie kürzlich gemeldeter Sichtungen von Dunklen Materie-Teilchen: Im August 2008 beobachtete das europäische Satellitenexperiment PAMELA Positronen, die wahrscheinlich durch Paarvernichtung aus Teilchen von Dunkler Materie entstanden sind.
Im Oktober 2009 beobachtete das Fermi Gamma-ray Space Telescope hochenergetische Strahlung im Zentrum unseres Milchstraßensystems, die ebenfalls als Signatur der Dunklen Materie gedeutet wurde. Bereits früher meldete auch das italienische Experiment DAMA die Entdeckung von Dunkler Materie. Die neuen Ergebnisse vom CDMSII-Experiment stimmen mit den Beobachtungen von PAMELA und Fermi überein, nicht jedoch mit den Vorhersagen von DAMA.
Sollte sich die Entdeckung als wahr herausstellen, könnten am Large Hadron Collider (LHC) am CERN in der Nähe von Genf in der Schweiz bald WIMPs erzeugt werden. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass bereits Ende nächsten Jahres WIMPs mit den vom CDMSII vorhergesagten Energien am LHC nachgewiesen werden können. Bestätigen sich die Ergebnisse, so wäre das Geheimnis der Dunklen Materie enträtselt und die Theorie zur Supersymmetrie, einer populären Theorie, welche sowohl die Dunkle Materie erklärt und gleichzeitig die Fundamentalkräfte vereint, bestärkt.
Janine Fohlmeister
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