Rätsel Dunkle Materie: Klebstoff des Universums

Warum bleiben Sterne in Galaxien zusammen und driften nicht auseinander? Ursache könnte die Dunkle Materie sein. Nun haben Physiker womöglich erstmals einen Beweis für die Existenz des rätselhaften Stoffes gefunden.

Es gibt Neuigkeiten aus der Physik. Womöglich sind es sogar außerordentlich bedeutende Neuigkeiten. Mit einem 1400 Meter tief unter einem Berg in Mittelitalien angebrachten Detektor haben Physiker ein Signal aufgefangen, das nichts Geringeres bedeuten könnte als die Entdeckung der Dunklen Materie. Dieser Stoff, so vermuten Astrophysiker seit langem, könnte das gesamte Universum durchziehen wie eine dichte Masse unsichtbarer Gelatine.

Es spricht für die Ernsthaftigkeit der Forschergruppe mit dem Kürzel Cresst, dass sie ihre Daten nicht wie jüngst manch andere Wissenschaftler mit großen Tönen an die Öffentlichkeit tragen. Doch das unter dem Granit des Gran Sasso gemessene Signal ist so deutlich, dass man aufhorchen muss.

Seit Juni 2009 suchen die Cresst-Physiker mit einem empfindlichen Teilchendetektor Spuren von Partikeln aus dem Weltraum. Zwischen all den längst bekannten Komponenten der kosmischen Strahlung suchen sie mit ihrem Messgerät eine neue Art von Teilchen, die bisher lediglich von Theoretischen Physikern erdacht, aber noch nie experimentell entdeckt wurde.

Diese sogenannten Wimps ( weakly interacting massive particles, schwach wechselwirkende, massive Teilchen) können sich nicht auf bekannten Wegen zeigen, zum Beispiel indem sie Atome ionisieren, Kerne spalten oder dank ihrer elektrischen Ladung auffallen. Sollte es sie geben, würden solche Wimps nur gelegentlich auf einen Atomkern prallen und diesen leicht antippen.

Die dabei übertragene Energie wäre jedoch so winzig, dass ein enormer technischer Aufwand nötig ist, um die Stöße zu entdecken. Wichtigster Bestandteil des Cresst-Detektors ist daher ein mehrstufiges Kühlsystem, das die eigentliche Detektorkomponente, 300 Gramm schwere, reine Kristalle auf nur 0,01 Grad Celsius über den absoluten Temperatur-Nullpunkt kühlt. In diesem ultrakalten Zustand genügt ein zitternder Atomkern, und die Anlage erwärmt sich messbar.

Entdeckung ersten Ranges - oder Messfehler?

Eine große Schwierigkeit bei diesen Messungen ist, dass jedes Material, auch die Komponenten des Detektors selbst sowie das Gestein des Gran Sasso winzige Mengen radioaktiver Isotope enthält, die zu falschen Signalen in den Kristallen des Messgeräts führen können.

Die Cresst-Physiker mussten daher nicht nur ihre Detektor-Kristalle gegen Strahlung aus dem Weltraum abschirmen, weshalb sie unter dem Gran Sasso verborgen sind, sondern auch mit mehreren Schutzhüllen gegen natürliche Radioaktivität abschirmen. Weil das jedoch nicht zu einhundert Prozent gelingt, müssen später in den gemessenen Daten die Signale bekannter Teilchen wie Neutronen und Elektronen herausgesiebt werden.

57 Ereignisse, die auf ein neuartiges, bislang unbekanntes Teilchen hinweisen, haben die Cresst-Physiker nun gefunden. Sorgfältig haben sie deren Signaturen von anderen Partikelreaktionen in ihrem Detektor getrennt. Mit statistischen Schwankungen sind die 57 Ereignisse nicht mehr vereinbar, sagen die Physiker, die Wahrscheinlichkeit für einen Zufall liege unter einem Promille. Eine Veröffentlichung in einem angesehenen Journal ist in Arbeit.

Grundsätzlich möglich ist natürlich, dass der Detektor aufgrund eines übersehenen Designfehlers einen üblen Streich spielt. So sieht denn auch eine konkurrierende Physiker-Gruppe die Cresst-Messungen skeptisch. Mit einem ebenfalls im Gran Sasso aktiven Experiment namens Xenon meinen die Fachkollegen ausschließen zu können, dass es die von Cresst vermuteten Wimps geben könne. Cresst-Forscher wiederum halten die Aussagekraft des Xenon-Experiments in dem fraglichen Massebereich für nicht ausreichend.

Bei dem Streit steht viel auf dem Spiel. Sollten sich die Cresst-Daten erhärten, wäre es eine physikalische Entdeckung ersten Ranges, vergleichbar mit dem ersten Nachweis der Atomkerne, der Quarks oder der Schwarzen Löcher.

Seit Jahrzehnten wissen Astrophysiker, dass zwischen den sichtbaren Bestandteilen des Universums, also Sternen, Planeten, Galaxien und anderen Himmelskörpern, noch mehr sein muss - viel mehr sogar. Fünfmal so viel Masse wie der sichtbare Teil des Universums ausmacht, muss als Dunkle Materie verborgen sein, sagen Himmelsforscher.

Ein Beweis hierfür sind zum Beispiel rotierende Galaxien, deren Sterne aufgrund der Fliehkräfte eigentlich auseinanderstieben müssten. Dass sie zusammenbleiben, könnte an der Dunklen Materie liegen, deren Gravitation die Sterne der Galaxien und die Galaxien wiederum in Galaxienhaufen zusammenhält wie kosmischer Klebstoff.

Sollte diese Dunkle Materie tatsächlich aus Wimps bestehen, so müsste es von diesen schwer greifbaren Geisterteilchen unvorstellbar große Mengen geben. Genau das jedoch halten Theoretiker nicht nur für möglich, sondern für die plausibelste Erklärung des Rätsels um die Dunkle Materie.

Seit Jahren schon horchen daher Detektoren in vielen Teilen der Erde auf mögliche Wimp-Signale aus dem Weltraum. Manche dieser zum Teil voluminösen Messgeräte stecken im polaren Eis, andere, so wie Cresst, unter massivem Gebirge.

Der erste direkte Nachweis von Wimps würde indes nicht nur Astrophysiker begeistern, sondern auch Elementarteilchenforscher, die sich für die innersten Strukturen des Kosmos interessieren. Wimps wären die ersten Vertreter einer völlig neuen, bislang nur theoretisch für möglich gehaltenen Teilchenklasse, der sogenannten supersymmetrischen Teilchen.

Winzige Geisterpartikel

Sollte sich deren Existenz bestätigen, ließe sich das aktuelle, an vielen Stellen sperrige und mühsam zusammengebastelte Formelwerk der Teilchenphysik, das sogenannte Standardmodell, mit einem Schlag in ein elegantes mathematisches Gebilde überführen. Neben seiner fehlenden Eleganz hat das Standardmodell zudem eine weitere Schwäche: Ausgerechnet die im Alltag so bedeutende Schwerkraft kann es nicht befriedigend erklären.

Vom Spätsommer dieses Jahres an wollen die Cresst-Forscher weitere Daten im Gran Sasso sammeln. Bis dahin versuchen die Physiker den Detektor noch dichter abzuschirmen. Das empfindliche Messgerät soll möglichst nur eine einzige Art von Teilchen aufspüren: Wimps, die womöglich wie kaum merkliche winzige Geisterpartikel den Weltraum anfüllen und dabei Galaxien wie unsere Milchstraße zusammenhalten.

"Sollte sich die Cresst-Beobachtung weiter manifestieren, wäre dies nicht nur eine der größten Sensationen im Bereich der Teilchen- und Astrophysik", sagt Siegfried Bethke, Direktor am Max-Planck-Institut für Physik in München, "es hätte durchschlagende Konsequenzen für das gesamte physikalische Weltbild."