Neues Großexperiment zum Nachweis dunkler Materie

Die Natur der dunklen Materie zählt bis heute zu den großen Fragen der modernen Physik. Nach heutigem Wissen macht die unsichtbare dunkle Materie 85 Prozent der Gesamt­masse im Universum aus. Im italienischen Gran-Sasso-Untergrund­labor (INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso) geht heute das Experiment „Cosinus“ in Betrieb. Das Forschungsprojekt soll überprüfen, ob ein anderes Experiment – DAMA/LIBRA – tatsächlich Signale dunkler Materie gemessen hat oder nicht. Cosinus ist eine Kooperation der TU Wien, des Instituts für Hochenergie­physik der ÖAW, des Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, des Helsinki Institute of Physics (Finnland) und des Max-Planck-Instituts für Physik MPP.

Für das Projekt wurde ein spezielles Instrument entwickelt. Dabei wird ein Kristall auf extrem tiefe Temperaturen gekühlt, um die Energie von Teilchen mit hoher Präzision messen zu können. Falls die dunkle Materie aus bisher unbekannten Teilchen besteht, müsste die Erde auf ihrem Weg durch das All mit diesen Teilchen zusammen­stoßen. Diese Kollisionen könnten sich im Messgerät nachweisen lassen. Das DAMA/LIBRA-Experiment hat Daten gesammelt, die mit dieser Annahme im Einklang stehen, allerdings umstritten sind, da die Bestätigung durch ein anderes Experiment bis heute ausgeblieben ist. 

Wenn sich dunkle Materie tatsächlich nachweisen ließe, würden die Messungen über das Jahr hinweg variieren. Warum? Die Sonne und all ihre Planeten – also auch die Erde – bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von rund 220 Kilometern pro Sekunde um das Zentrum der Milch­straße. Die Erde wiederum kreist mit einer Geschwin­digkeit von rund dreißig Kilometern pro Sekunde um die Sonne, für einen kompletten Umlauf braucht sie ein Jahr. Ein halbes Jahr lang bewegt sich die Erde also in der gleichen Richtung wie die Sonne, die anderen sechs Monate in der Gegenrichtung.

„Wenn unsere Galaxie von Teilchen aus dunkler Materie durch­drungen ist, würde sich die Erde mal schneller, dann wieder langsamer durch diesen ‚Nebel‘ hindurch­bewegen“, erklärt Karoline Schäffner, technische Leiterin von Cosinus. „Die Situation gleicht einer Autofahrt im Regen: Je schneller wir unterwegs sind, umso mehr Regentropfen prasseln auf die Windschutz­scheibe . Wir erwarten also, zu verschiedenen Zeiten unterschiedlich viel dunkle Materie zu detektieren.“ Genau das hat das DAMA/LIBRA Experiment ergeben, das seit 1995 läuft: Man detektierte tatsächlich ein Signal, dessen Intensität sich im Lauf des Jahres regelmäßig veränderte – ein Hinweis auf dunkle Materie. Doch andere Experimente konnten diese Ergebnisse nicht wiederholen.

Der fehlende Nachweis durch andere Experimente beschäftigt die inter­nationale Forschungs­gemeinde seit Jahren. „Mit unserem neuen Projekt gibt es die Chance, dieses Rätsel zu lösen“, sagt Karoline Schäffner. „Wir verwenden in unserem Detektor Natriumiodid, dasselbe Material wie im DAMA/LIBRA-Experiment, um die Ergebnisse vergleichen zu können. Unser Versuchsaufbau wird aber eine deutlich höhere Genauigkeit erzielen.“ Im DAMA/LIBRA Experiment wird nur das Licht, nicht aber die Wärme vermessen. Es gibt bereits zwei weitere Experimente, mit denen Wissen­schaftlerinnen und Wissenschaftler daran arbeiten, die DAMA/LIBRA-Experimente zu reproduzieren. Wie das Original zeichnen beide nur Licht auf – im Gegensatz zu Cosinus, das auf zwei verschiedene Signale ausgelegt ist.

Das Herzstück von Cosinus ist ein Kryostat, in dem ein Kristall aus Natriumiodid auf rund ein hundertstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden kann. Wird dieser Kristall von Dunkle-Materie-Teilchen getroffen, kommt es zu zwei Reaktionen im Detektor: Erstens werden die Atome des Kristalls in Schwingung versetzt – das Kristall­gitter beginnt zu wackeln und heizt sich auf. Die dabei aufgenommene Wärmeenergie lässt sich äußerst genau messen. Zweitens entsteht im Kristall auch Licht, das Cosinus ebenfalls nachweisen kann.

Die Untersuchung von zwei Signalen liefert zudem Hinweise, um welche Teilchen es sich handelt. „Das ist wichtig, denn nicht jedes Signal, das man in einem solchen Detektor misst, ist ein Hinweis auf dunkle Materie“, erklärt Karoline Schäffner: „Es kann sich zum Beispiel um gewöhnliche Elektronen handeln, die durch natürliche Radio­aktivität entstehen. Oder auch um Neutronen, die von kosmischen Teilchen produziert werden.“ Um Dunkle Materie-Signale zu entdecken, müssen die Forschenden den Kristall möglichst effektiv vor jeglichem Hintergrundrauschen abschirmen. Daher steht das Experiment gut geschützt in einem Bergmassiv, im größten Untergrundlabor der Welt: in den INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, rund hundert Kilometer von Rom entfernt. Unter 1400 Metern Gestein bietet ein Tunnelsystem Platz für eine Vielzahl hoch­empfindlicher Versuche – auch das DAMA/LIBRA-Experiment ist dort aufgebaut. Außerdem werden die Detektoren in einem sieben Meter hohen Tank mit hochreinem Wasser platziert. Erste Ergebnisse der Cosinus-Messungen erwarten die Forschenden kommendes Jahr.

MPP / JOL