Xenon-1T-Detektor

Forscher suchen nach Teilchen Dunkler Materie – auch in Freiburg

Robert Gast

Von Robert Gast

Do, 02. Juli 2020 um 11:07 Uhr

Bildung & Wissen

Bisher waren die Wissenschaftler des Xenon-Experiments so etwas wie die Spielverderber bei der Suche nach Dunkler Materie. Doch nun haben die Physiker überraschende Signale aufgefangen.

Schon vor 15 Jahren hat die Forschergruppe – eine von dreien weltweit auf diesem Gebiet – in einem Labor unter dem Gebirgsmassiv des Gran Sasso d’Italia eine Art Falle aufgestellt, in der Teilchen der Dunklen Materie eigentlich hängen bleiben müssten. Den Standort unter 1500 Meter Granit hat sie gewählt, um Störsignale möglichst gut abzuschirmen. Denn die kosmische Strahlung lässt sich fast vollständig vom Gestein ausbremsen, während die gesuchten Teilchen der Dunklen Materie einfach durch den Berg durchfliegen müssten.

Andere Wissenschaftler haben bereits wackelige Hinweise auf Interaktionen zwischen Dunkler Materie und irdischen Atomkernen präsentiert, doch das deutsch-amerikanisch geführte Xenon-Team sorgte bislang stets für Ernüchterung. Egal wie genau die Forscher hinschauten, egal wie sehr sie ihren unterirdischen Edelgastank vergrößerten und verbesserten: Die Dunkle Materie tauchte einfach nicht auf.

Überraschend vielen Teilchenzusammenstöße

Nun ist die 163-köpfige Gruppe doch noch auf etwas gestoßen, was sich als Fährte zur Dunklen Materie entpuppen könnte – mit viel Glück zumindest. Zwischen Februar 2017 und Februar 2018 sei es im 3,2 Tonnen schweren Xenon-1T-Detektor (sprich: "Xenon-One-Ton") zu überraschend vielen Teilchenzusammenstößen mit Elektronen gekommen, berichten die Forscher in einer noch nicht von Gutachtern geprüften Vorabveröffentlichung. Dahinter könnte etwas so Banales stecken wie eine bislang unentdeckte radioaktive Verschmutzung mit Tritium-Atomen, räumen die Wissenschaftler ein, die unter anderem am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, am Karlsruher Institut für Technologie, sowie an den Universitäten in Münster, Mainz und Freiburg arbeiten (Interview mit dem Astrophysiker Marc Schumann, der mit seinem Team am Xenon-1T-Detektor in Italien beteiligt ist).

Doch auch zwei andere Ursachen ließen sich nicht ausschließen: Die Signale – 53 an der Zahl – könnten auf Neutrinos aus der Sonne zurückgehen. Dann müssten sie jedoch andere Eigenschaften haben als vom Standardmodell der Elementarteilchenphysik vorhergesagt. Oder aber sogenannte Axionen sind verantwortlich. Gemeint ist ein ultraleichter Teilchentyp, über dessen Existenz Physiker seit Jahrzehnten spekulieren. Sollte es die Leichtgewichte geben, wäre das eine Jahrhundertentdeckung.

Beim Urknall entstandene Axionen würden mit ihrer kollektiven Schwerkraft den Gang der Gestirne beeinflussen – als Dunkle Materie. Die Exemplare, die nun im Xenon-1T-Detektor aufgetaucht sein könnten, hätten allerdings einen anderen Ursprung: Sie würden aus der Sonne stammen, in deren Zentrum sich Photonen, also Lichtteilchen, in Axionen umwandeln können. Dieses Szenario passt aber nur mäßig gut zu Beobachtungen aus dem Weltall. Es gibt viele offene Fragen.
Dunkle Materie

Die Dunkle Materie ist eine rätselhafte Substanz – sie hat dafür gesorgt, dass sich die Strukturen im Weltall überhaupt erst gebildet haben. Und sie ist in großer Menge vorhanden: So sollen 85 Prozent der Materie im Universum Dunkle Materie sein. Die materielle Welt, die wir bislang kennen, macht damit den deutlich kleineren Teil aus. Es gibt viele indirekte Hinweise auf die Existenz der Dunklen Materie. Ein Nachweis der theoretisch vorhergesagten Teilchen fehlt aber bis heute – ihn zu erbringen, ist das Ziel der Xenon-Kollaboration und ihrer Konkurrenten.

Antworten erhoffen sich die die Forscher von einem Ausbau namens Xenon-nT: Die Teilchenfalle soll dreimal so viel Xenon enthalten wie bisher und 2021 die Arbeit aufnehmen. Eigentlich hat die Gruppe ihren Detektor für die Jagd nach deutlich schwereren vorhergesagten Dunkle-Materie-Teilchen konzipiert, den Wimps. Diese würden mit den Atomkernen des Xenons zusammenstoßen und Spuren hinterlassen, deren Signatur die Forscher klar von Störsignalen unterscheiden können.

Die Suche nach Axionen ist kniffliger: Sie würden wegen ihrer geringeren Masse nur mit den Elektronen der Xenonatome interagieren. Das tun jedoch auch viele andere Prozesse im Mikrokosmos. Entsprechend schwierig könnte es werden, die Ursache der nun entdeckten Anomalie aufzuklären.

Dieser Artikel stammt von unserem Kooperationspartner spektrum.de.