Im Vordergrund ein Bergpanorma bei Nacht, im Hintergrund einen Sternenhimmeln mit Milchstraße

Dunkle Materie: Jagd nach dem Phantom

Gran-Sasso-Massiv, Italien

Von den Gipfeln des Gran-Sasso-Massivs in Italien hat man einen fast ungetrübten Blick ins Weltall. Tief unter den Bergen suchen Forschende nach dem Teil des Universums, den wir nicht sehen können: der sogenannten Dunklen Materie. Mit einer Falle aus achteinhalb Tonnen flüssigem Xenon wollen sie die Frage beantworten: Ist die Dunkle Materie der Kitt, der das All zusammenhält, oder ist sie ein Phantom?

Foto: Die Milchstraße leuchtet bei Nacht über dem Gran-Sasso-Massiv. Unter dem Berg suchen Forschende nach Dunkler Materie. Credit: iStock/patrick8484

Es ist schwer genug sich vorzustellen, wie unfassbar viele verschiedene Galaxien mit unzähligen Sternen über unser Universum verteilt sind. Noch schwieriger zu begreifen ist aber, dass diese sichtbare Materie nur fünf Prozent des Universums ausmachen soll. Astrophysikerinnen und Astrophysiker sind überzeugt, dass der weitaus größere Teil sich vor uns versteckt – und das sehr effektiv, denn diese sogenannte Dunkle Materie interagiert nicht mit Licht. Dass 95 Prozent unseres Universums aus etwas bestehen soll, dass wir mit herkömmlichen Methoden nicht finden können, könnte manche entmutigen.

Für Laura Baudis, Astrophysikerin von der Uni Zürich ist das hingegen ein fast philosophischer Ansporn: „Warum denken wir Menschen, dass das, was wir sehen können, das ganze Universum ausmachen soll? In der Vergangenheit dachten wir, die Erde sei im Zentrum des Sonnensystems, dann dass das Sonnensystem das Zentrum der Milchstraße wäre. Es hat sich immer wieder herausgestellt, dass wir nicht im Zentrum der Welt oder des Universums sind.“

„Warum denken wir Menschen, dass das, was wir sehen können, das ganze Universum ausmachen soll?“

Laura Baudis, Professorin für Astrophysik, Uni Zürich

Statt sich mit dem Bekannten zufrieden zu geben, jagt Laura Baudis etwas, das bislang wie ein Phantom durch die wissenschaftliche Literatur geistert. Die meisten Fachleute sind sich einig, dass es so etwas wie die Dunkle Materie geben muss. Anders sind viele wissenschaftliche Befunde über unser Universum nicht zu erklären. Nur direkt nachgewiesen hat die Existenz der Dunklen Materie noch niemand.


Um das Phantom zu fangen, haben ihm Laura Baudis und ihre Kolleginnen und Kollegen mehr als einen Kilometer unter dem Gran-Sasso-Massiv eine Falle gestellt. Sie besteht aus einem riesigen Fass, das mit achteinhalb Tonnen des Edelgases Xenon gefüllt ist. Das Ziel dieses Experiments ist es, mit Detektoren eine Wechselwirkung mit Dunkler Materie nachzuweisen. Wenn das gelingt, wäre das der Beweis, dass sie wirklich existiert – und dass die theoretischen Annahmen aus neun Jahrzehnten Forschung zutreffen.

In diesem Fass soll die Dunkle Materie sichtbar gemacht werden. Der Detektor wurde in einem Reinraum zusammengebaut, damit keine Verunreinigung die Messung stört. Credit: XENON Collaboration

Das Unsichtbare kann beobachtet werden

Die Theorie geht so: Wie die sichtbare bzw. Helle Materie hat auch Dunkle Materie eine Masse und damit auch Anziehungskraft, der erste Hinweis auf ihre Existenz. Denn rein rechnerisch lässt sich nicht erklären, wie Galaxien entstehen können, wenn sie nur aus der sichtbaren Materie bestünden. Diese wäre nämlich schlicht nicht schwer genug, um Sterne und Planeten zusammenzuhalten. Also muss es eine unsichtbare Masse geben, die an diesen Stellen genug Gravitation erzeugt.

Diese bislang nur theoretisch beschriebene Materie kann man zwar nicht mit Teleskopen beobachten, sehr wohl aber ihre Effekte. Denn durch ihre Masse beeinflusst sie das Licht, das uns von fernen Objekten erreicht. Das nennen Fachleute Gravitationslinseneffekt (siehe Infokasten). Dort wo es kein sichtbares Objekt gibt, das diesen Effekt auslösen könnte, kann man davon ausgehen, dass hier Dunkle Materie für die Verzerrung sorgt.

Gravitationslinseneffekt
Diesen Effekt hat bereits Albert Einstein mit seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Vereinfacht ausgedrückt, besagt sie unter anderem, dass jede Form von Masse den Raum krümmt. Sichtbar wird das, wenn sich Licht an besonders großen Massen vorbeibewegt. Wenn man von der Erde aus mit einem Teleskop eine ferne Galaxie beobachtet, dann sieht man das Licht dieser Galaxie, was uns erreicht. Passiert dieses Licht auf dem Weg zur Erde eine besonders große Masse, zum Beispiel ein Schwarzes Loch, dann bewegt es sich auch durch den gekrümmten Raum um das Schwarzes Loch. Dadurch entsteht eine Verzerrung, ähnlich wie wenn man durch eine Lupe oder Glasflasche schaut. Die stärke der Verzerrung kann dann sogar Rückschlüsse über das Ausmaß der Masse geben, die sie verursacht.

Diese Verzerrungen haben Forschende an vielen Stellen im All beobachtet und genau berechnet, so dass es ihnen inzwischen sogar gelungen ist, die Verteilung der Dunklen Materie darzustellen. Diese Modelle zeigen, dass sich die Dunkle Materie wie ein Netz durch unser Universum zieht. An den Fäden dieses Netzes liegen die Orte, an denen sich Galaxien bilden. Um die Galaxien selbst ist die Dunkle Materie in einer Kugel, einem sogenannten Halo angeordnet, wie eine große unsichtbare Wolke. Durch die Rotation unserer Galaxie, der Milchstraße, bewegt sich auch die Erde durch eine solche Wolke aus Dunkler Materie hindurch. Wenn die Theorie also stimmt, müsste die Erde von einem anhaltenden Strom Dunkler Materie getroffen werden. Und um genau diese Teilchen geht es Laura Baudis und ihrem Team beim XENON Projekt.


Eine eiskalte Falle

Um die Teilchen nachzuweisen, bauten die Forschenden einen Detektor. Dabei handelt es sich um einen Zylinder voll flüssigem Xenon, einem Edelgas. Das verwenden sie, weil es sich gut aufbereiten und reinigen lässt. Den Zylinder befüllten sie mit 8,5 Tonnen des Edelgases. Das Xenon wird auf -100°C gekühlt und steht unter erhöhtem Druck, damit es flüssig bleibt.

Dunkle Materie interagiert nicht mit Licht oder einer anderen Form elektromagnetischer Strahlung. Sie kann aber mit anderen Teilchen interagieren, indem sie mit ihnen zusammenstößt. Das Ziel ist es nun, dass ein Teilchen Dunkle Materie durch den Detektor fliegt und dabei mit einem Xenon-Atom zusammenstößt. Auch hierbei zeigt sich ein Vorteil des Xenons. Es ist ein recht schweres Element, das heißt sein Kern besteht aus vielen Neutronen und Protonen. Das erhöht die Chance eines Zusammenstoßes. Dabei sollte dann ein (sehr, sehr kleiner) Lichtblitz entstehen. Am Ende des Zylinders sind Photodetektoren angebracht, die so empfindlich sind, dass sie sogar ein einzelnes Lichtteilchen (ein Photon) erkennen können.

Und damit ergibt sich gleichzeitig auch ein Problem: Es ist natürlich nur begrenzt möglich andere Wechselwirkungen zu vermeiden und da die Detektoren so empfindlich sein müssen, messen sie natürlich auch die anderen Wechselwirkungen, die nichts mit Dunkler Materie zu tun haben, zum Beispiel natürliche Radioaktivität oder andere Formen von Strahlung. Dabei entstehen ebenfalls Lichtblitze, die die Forschenden bei ihrer Analyse von den Wechselwirkungen mit der Dunklen Materie trennen müssen. Das nennt man auch Untergrund, also wie ein Hintergrundrauschen bei einer Tonaufnahme, das eigentlich unerwünscht ist.

Mehr als einen Kilometer unter der Erde liegt die riesige Halle mit dem Reaktor (links). Ein Plakat auf der Außenhülle zeigt, wie es im Inneren aussieht. Credit: XENON Collaboration

Um das Labor möglichst gut gegen solche Störungen abzuschirmen, befindet es sich mehr als einen Kilometer unter Erde. Dazu kommen, ähnlich einer Zwiebel, mehrere Schutzschichten um das Herzstück des Detektors. Sie sollen es gegen möglichst viele andere Einflüsse schützen. So befindet sich das Xenon-Fass beispielsweise zur Abschirmung gegen die natürliche Radioaktivität unter Wasser. Der gesamte Aufbau erreicht die Größe eines dreistöckigen Hauses, während das Xenon-Fass selbst nur 1,5 Meter breit ist. Von außen kann man den Aufbau sogar bei Google Streetview ansehen.

Schwer zu fassen

Trotz der Abschirmung gibt es immer noch jede Menge anderer Wechselwirkungen, die mitgemessen werden. Oder vielmehr die bis jetzt ausschließlich gemessen werden, denn bislang konnten die Daten aus den Detektoren immer mit Störfaktoren erklärt werden – die Dunkle Materie hat sich noch nicht gezeigt.

Das liegt daran, dass die Forschenden nicht genau wissen, wie schwer die Teilchen sind, die sie suchen. Und so können sie bei ihrer Jagd nach der Dunklen Materie nur auf Verdacht Fallen aufstellen, die für eine bestimmte Größenordnung von Teilchen passen. Für einen möglichen Bereich, in dem die Masse liegen kann, errechnen die Forschenden, wie lange ein solcher Detektor laufen müsste, damit sie mit hoher Wahrscheinlichkeit Wechselwirkungen beobachten. Der aktuelle Detektor misst seit 2020 und die ersten Ergebnisse werden gerade veröffentlicht. Doch auch dieses Mal sieht es zumindest fürs Erste so aus, als hätten die Forschenden nur bekannte physikalische Phänomene beobachtet. Trotzdem sieht Laura Baudis die Ergebnisse positiv: „Wir konnten über die Jahre immer mehr ausschließen. Wir wissen praktisch, wie schwer die Dunkle Materie nicht ist.“

Negative Ergebnisse sollte man hier auf keinen Fall mit keinen Ergebnissen verwechseln. Es geht den Forschenden nämlich ein bisschen wie in dem Spiel „Schiffe versenken“. Ein Schlag ins Wasser ist dort zwar ärgerlich, aber trotzdem nützlich, um zu wissen, wo nichts ist und irgendwann doch zu treffen. Und der Raum, wo sich die Dunkle Materie noch verstecken kann, wird immer kleiner.

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