Am 16. Juni 2023, um 21:22 Uhr und 39 Sekunden, blitzte plötzlich ein Lichtpuls eine Meile unter den Black Hills in South Dakota auf, in einem dunklen, luftdicht verschlossenen Tank, gefüllt mit extrem kalter Flüssigkeit. Es ist dieselbe Höhle, in der Bergleute einst Gold aus den Wänden schlugen. Kameras rund um den Tank erfassten den kurzen Lichtblitz, und Bruchteile einer Sekunde später registrierten hauchdünne Drähte, die in der Flüssigkeit lagen, einen plötzlichen Anstieg elektrischer Ladung.

Physiker hatten diesen Tank tief unter der Erde in einer der ruhigsten Gegenden der Welt installiert, um nach Dunkler Materie zu suchen – jener geheimnisvollen Substanz, von der man weiß, dass sie existiert, man sie aber noch nicht direkt nachweisen konnte. Doch wie alle anderen vergleichbaren Detektoren, die in den vergangenen 40 Jahren aufgebaut wurden, maß auch dieser bisher kein Signal, das auf eine neue Art von Materie hindeuten würde.

Dieses Ereignis ist anders. Die Kombination aus Lichtblitz und Ladungsspitze deutet auf eine heftige Kollision zwischen einem unbekannten Teilchen und einem Atomkern des Detektors hin. Das Signal ähnelt keinem der bekannten Hintergrundereignisse – also Störquellen, die Dunkle Materie vortäuschen können und gegen die 250 Fachleute der internationalen LZ-Kollaboration seit Jahren ankämpfen.

Zugleich passt das Ereignis aber auch nicht zu jenem Dunkle-Materie-Signal, das die Fachwelt erwartet hatte. Kurz gesagt: Es bleibt ein Rätsel.

»Ich bin von den LZ-Ergebnissen sehr, sehr begeistert«Katherine Freese, Physikerin

Doch nach jahrzehntelanger Suche ohne jeglichen Hinweis ist ein neues Rätsel mehr als willkommen. »Ich habe seit 40 Jahren auf ein positives Ergebnis gewartet«, sagt die Physikerin Katherine Freese von der University of Texas in Austin, deren Arbeiten die Suche maßgeblich geprägt haben. »Man kann also sicher sein, dass ich von den LZ-Ergebnissen sehr, sehr begeistert bin.«

Die LZ-Kollaboration präsentierte die Entdeckung am 1. September 2026 auf der TeVPA-Konferenz in Japan. Die zugehörige Arbeit erscheint in der Fachzeitschrift »Physical Review Letters«. Die Forschenden von LZ bemessen die Wahrscheinlichkeit, wonach es sich um einen statistischen Ausreißer handelt, mit etwa einem halben Prozent.

Eine unsichtbare Substanz

Das Universum, das wir durch Teleskope beobachten, lässt sich ohne Dunkle Materie kaum erklären. Die sichtbare Materie bewegt sich zu schnell, ballt sich zu dicht zusammen und hat sich zu rasch verdichtet, als dass sie allein für die beobachteten Phänomene verantwortlich sein könnte. Es muss fünfmal mehr von dieser unsichtbaren Substanz namens Dunkler Materie geben. Diese ist offenbar reichlich vorhanden – doch ihre Zusammensetzung bleibt unbekannt.

Detektoren wie LZ basieren auf einer Vermutung: Die mysteriöse Substanz besteht aus sogenannten WIMPs (Englisch: weakly interacting massive particles), also schwach wechselwirkenden, massebehafteten Teilchen. Diese hypothetischen Partikel müssten Materie meist ungehindert durchdringen, könnten aber gelegentlich mit einem Atomkern zusammenstoßen. LZ und ähnliche Experimente versuchen, möglichst viele Atome an einem besonders ruhigen Ort zu versammeln, um solche seltenen Kollisionen aufzuzeichnen.

Trotz eines Schutzschilds aus kilometerdickem Gestein und der Detektorwände dringt gelegentlich Hintergrundstrahlung in den Detektor ein – also Störquellen, die nichts mit Dunkler Materie zu tun haben. Doch die Physiker können viele dieser Störsignale von Dunkler Materie unterscheiden und versuchen, sie so weit wie möglich zu reduzieren. Dass ein einzelnes unerklärliches Ereignis eine so hohe statistische Bedeutung hat, zeigt, wie ausgereift die Experimente inzwischen sind.

Die Kollision im Jahr 2023 ähnelt dem, was man von einem WIMP-Signal erwarten würde – aber sie ist viel energiereicher als angenommen. Den meisten Modellen zufolge hätte LZ bei einem so hochenergetischen Ereignis viele schwächere Kollisionen registrieren müssen, was jedoch nicht der Fall war. Sollte es sich bei dem beobachteten Teilchen tatsächlich um ein WIMP handeln, müsste es also auf eine etwas andere Weise mit normaler Materie wechselwirken als erwartet – oder auf ungewöhnliche Weise beschleunigt worden sein. »Da wir nicht wissen, was Dunkle Materie genau ist, erscheint es mir nicht ungewöhnlich, dass sie nicht genau unserer Erwartung entspricht«, sagt Hugh Lippencott von der University of California in Berkeley und Mitglied der LZ‑Kollaboration.

In den kommenden Monaten ist mit einer Flut von Fachartikeln zu rechnen, die erklären, wie sich das einfachste WIMP-Modell anpassen lässt, um das LZ-Ereignis zu beschreiben. »Man könnte andere Wechselwirkungsarten der hypothetischen Teilchen beobachten, die durchaus plausibel sind«, ergänzt Freese. Die LZ-Forschenden mahnen jedoch zur Vorsicht. »Wir sollten uns nicht zu sicher sein, wenn wir auf Basis eines einzelnen Ereignisses konkrete Aussagen über Dunkle Materie oder neue Physik treffen«, sagt Morå.

Die Daten wurden zudem nicht »blind« analysiert – eine Methode, die in der Teilchenphysik als Goldstandard gilt und etwa bei der Entdeckung des Higgs-Bosons zum Einsatz kam, um Verzerrungen zu vermeiden.

Doch glücklicherweise könnte es bald weitere Hinweise geben. »Das waren Daten von 200 Tagen. Wir haben aber noch Daten von mehr als 700 Tagen blind vorliegen«, sagt Richard Gaitskell von der Brown University, Co-Sprecher von LZ. »Die werden wir jetzt genauer untersuchen.«

Diese zusätzlichen Daten werden entweder zeigen, dass das eine Ereignis eine Anomalie war, oder weitere Phänomene dieser Art zutage fördern. Parallel dazu sammeln zwei konkurrierende Experimente, PandaX und XENONnT, eigene Daten, die helfen werden, zu klären, ob LZ tatsächlich WIMPs oder bisher unbekannte Hintergrundquellen beobachtet hat.

»Das ist die letzte Chance, ein WIMP zu entdecken«Juan Collar, Physiker

Bis dahin versucht die LZ-Kollaboration, die Erwartungen zu dämpfen. »Man bekommt diese Momente, in denen man denkt: Könnte das wirklich der Durchbruch sein?«, sagt Morå. »Aber es wäre schädlich für die Analyse, sich darauf zu versteifen.« Lippencott stimmt zu: »Gleichzeitig unterscheidet sich das Signal von allen bekannten Hintergründen – da kann man schon ins Grübeln kommen.«

Das rätselhafte Ereignis kommt zu einem kritischen Zeitpunkt im Wettlauf um Dunkle Materie. »Es ist ein guter Moment, den die Natur für dieses Geschenk gewählt hat«, sagt Juan Collar von der University of Chicago, der nicht an LZ beteiligt ist. Die Detektoren werden so groß und empfindlich, dass sie bald massenhaft Neutrinos aus Sonne und Atmosphäre detektieren. Diese geisterhaften Teilchen ähneln Dunkler Materie stark. Sobald die Geräte empfindlich genug dafür sind, wird der Wettlauf wohl enden müssen.

»Das ist die letzte Chance, ein WIMP zu entdecken – wenn es nicht da ist, muss man in den nächsten zehn Jahren den Betrieb einstellen«, sagt Collar. »Das könnte der Beginn von etwas Großartigem sein.«