Es ist paradox, aber wahr: Um das finstere Rätsel hoch über ihren Köpfen zu lösen, müssen Physiker tief in die Erde hinabsteigen. Denn die geheimnisvolle Dunkle Materie, die wahrscheinlich alles durchdringt, auch den menschlichen Körper, lässt sich sonst nicht packen. Die Forscher ziehen sich in Bergtunnel oder stillgelegte Minen zurück, wo die störende Kosmische Höhenstrahlung teils nur ein Millionstel so schwach ist wie auf der Erdoberfläche, und errichten dort ihre raffinierten Apparaturen, mit denen sie die Dunkle Materie aufzuspüren versuchen.
Weil die geisterhaften Teilchen neben der Schwerkraft nur der schwachen Wechselwirkung mit ihrer kurzen Reichweite unterworfen sind, werden sie WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) genannt, was im Englischen auch „Winzling”, „Feigling”, „ Schwächling” bedeutet. WIMPs sind gegenwärtig die beliebtesten Kandidaten und stehen womöglich bereits an der Schwelle zum physikalischen Nachweis, wie im Oktober auf der „Dark Universe” -Konferenz an der Universität Heidelberg intensiv diskutiert wurde. Allerdings geizen die Forscher auch nicht mit anderen Hypothesen, etwa zu SuperWIMPs und Wimpzillas – manche verfechten als Alternative sogar eine „WIMPless Dark Matter”. Viele der Hypothesen schließen sich nicht einmal gegenseitig aus. Letztlich müssen die Ergebnisse von physikalischen Messungen entscheiden.
THEORETIKER SIND OFT SCHNELLER
Das Postulat von und die Suche nach unbekannten Teilchen hat in der Physik Tradition. Zwar wurden immer wieder neue Partikel aufgespürt, oft zur großen Verblüffung der Wissenschaftler. „Wer hat denn das bestellt?”, rief beispielsweise der spätere Physik-Nobelpreisträger Isidor Isaac Rabi, als er 1936 von der Entdeckung des Myons in der Kosmischen Strahlung erfuhr. Mehrfach wurde aber auch umgekehrt die Existenz von bis dahin unbekannten Teilchen vorausgesagt – etwa des Positrons, der drei Neutrinos, der Quarks, der W- und Z-Bosonen sowie des bislang unbestätigten Higgs-Teilchens.
Ähnlich ist es bei der Dunklen Materie: Auch für sie haben Theoretiker einige Kandidaten – tatsächlich sogar mehr, als den meisten Physikern lieb ist (siehe Tabelle „Forscher tappen im Dunkeln”). Manche von ihnen wurden aus ganz anderen Gründen als astronomischen postuliert. So kam die Idee der WIMPs aus rein teilchenphysikalischen Erwägungen auf. Und als die Astrophysiker dann in den 1980er-Jahren Bedarf für eine solche seltsame Materie anmeldeten, waren sie sehr erstaunt, dass diese bereits in der Theorie parat stand. Und zwar nicht als bloße Behauptung, sondern gut begründet mit Symmetrieprinzipien, der Massenskala der bekannten Partikel und einer einheitlichen Beschreibung der Naturkräfte.
Trotzdem: Wissenschaftliche Spekulation ist das eine, ein harter Nachweis – möglichst mit verschiedenen Methoden und von unterschiedlichen Forschergruppen – ist etwas anderes. Und so hat sich in den letzten Jahren eine wachsende Schar von Physikern aufgemacht, um mit unterschiedlichen, aber allesamt raffinierten Verfahren zu versuchen, das Unsichtbare doch irgendwie sichtbar zu machen. Denn die indirekten Indizien reichen nicht aus, obschon Astronomen sie inzwischen „zuhauf” geliefert haben – nämlich bei Galaxienhaufen, aber auch einzelnen Galaxien und der kosmischen Entwicklung insgesamt. Allerdings gibt es auch andere Erklärungsmodelle, insbesondere eine Modifikation des Gravitationsgesetzes. Das Ziel der Teilchenphysiker ist daher, die Schattenmaterie ins Licht der Erkenntnis zu stellen – und am besten auch selbst zu erzeugen.
Der Nachweis der Dunklen Materie ist äußerst schwierig. Denn er benötigt sehr empfindliche Detektoren an der Grenze des technisch Möglichen. Außerdem erfordert er höchste Reinheit beim Experimentieren, um Dreckeffekte möglichst auszuschließen (schon ein Fingerabdruck würde alles zunichte machen), und eine genaue Kenntnis der Störquellen, besonders der Kosmischen Strahlung sowie der natürlichen Radioaktivität. Und er braucht viel Zeit und Geduld, aber auch Glück, denn die Eigenschaften der ominösen Partikel kennt man so schlecht, dass man ganz unterschiedliche Parameterwerte testen muss. Das funktioniert nicht mit einem einzigen Messverfahren.
Tatsächlich variieren die WIMP-Modelle und -Suchprogramme in ihren Voraussagen beziehungsweise Suchstrategien um viele Zehnerpotenzen (siehe Grafik „Die Suche nach den Finsterlingen”): Die Massen könnten zwischen wenigen Kiloelektronenvolt und fast 1016 Gigaelektronenvolt liegen, der Skala der Großen Vereinigten Theorien, bei denen die elektromagnetische, schwache und starke Wechselwirkung zu einer einzigen Superkraft verschmelzen, wie sie im ersten Sekundenbruchteil des Urknalls herrschte.
Und die Kopplungsstärken könnten von wenig mehr als der Stärke der Schwerkraft, der schwächsten aller Kräfte, bis fast zum Regime der Quantenchromodynamik reichen, die das Innere der Protonen und Neutronen beschreibt, also die Wechselwirkungen zwischen den Quarks. Entsprechend unsicher ist der Streu- oder Wirkungsquerschnitt, das heißt die Wahrscheinlichkeit, mit der WIMPs über die schwache Wechselwirkung mit der gewöhnlichen Materie in Kontakt treten. Freilich: Falls die Dunkle Materie überhaupt nicht schwach interagiert, sondern nur gravitativ – wenn sie also nicht aus WIMPs besteht –, dann sind die Experimente der Teilchenphysiker zum Scheitern verurteilt.
DUNKLE MATERIE DURCHSTRÖMT UNS
Die Suche nach der Dunklen Materie ist noch viel schwieriger als die nach der sprichwörtlichen Stecknadel im Heuhaufen. Denn dabei kennt man nicht nur den Heuhaufen, sondern auch die genauen Eigenschaften einer Stecknadel. Von der Dunklen Materie weiß man eigentlich nur, dass sie überall sein müsste – auch direkt zwischen Ihrer Nasenspitze, lieber Leser, und dieser Seite, die Sie gerade aufgeschlagen haben. Viele Millionen WIMPs könnten jeden Quadratzentimeter der Seite durchdringen – in jeder Sekunde. (Das tun übrigens auch die Neutrinos von der Sonne: rund 66 Milliarden pro Sekunde und Quadratzentimeter.)
Etwa 0,3 Gigaelektronenvolt an Masse Dunkler Materie steckt in jedem Kubikzentimeter Weltraum – im Durchschnitt. Hier auf der Erde ist sie aber gegenüber der normalen Materie unterrepräsentiert. Vielleicht drei Teilchen pro Liter könnten in ihr stecken, wenn die beliebtesten Modelle zutreffen. Das wäre dann nicht einmal ein Kilogramm an unsichtbarem Stoff in unserem gesamten Planeten. Doch da sich die Erde durch die riesige, die Milchstraße umgebende Wolke Dunkler Materie bewegt wie ein Fisch durchs Wasser, durchfluten ständig viele weitere WIMPs unseren Planeten. Hin und wieder müssten ein paar davon in den Detektoren der Physiker eine Spur hinterlassen. Sie würden zwar nicht hängen bleiben, aber doch etwas Energie übertragen. Die große Kunst besteht also darin, genau das zu messen und von den vielen Störquellen zu unterscheiden.
DREI RAFFINIERTE JAGDmethoden
Unbestreitbar ist: Die physikalische Experimentierleistung hat in jüngster Zeit große Fortschritte gemacht. Die Empfindlichkeit der Detektoren ließ sich in den letzten beiden Dekaden etwa alle zwei Jahre verzehnfachen. Schon jetzt ist ein großer Teil der Kombination möglicher WIMP-Massen und -Kopplungsstärken durchforstet und ausgeschlossen worden. In den nächsten Jahren wird ein weiterer beträchtlicher Bereich geprüft sein. Um die problematischsten Ecken auszuleuchten, werden aber noch zwei oder drei Jahrzehnte benötigt – falls es die wissenschaftliche Kreativität, Ausdauer, Finanzierung und nicht zuletzt die Natur überhaupt erlauben. Im Wesentlichen sind es drei Methoden, mit denen die Forscher auf WIMP-Jagd gehen, zum Teil auch kombiniert miteinander:
· Gitterschwingungen in Kristallen: Trifft ein WIMP auf einen Atomverbund, kann es bei der Streuung etwas Energie übertragen. Dabei wird das Detektormaterial – verwendet wird etwa Germanium, Silizium, Aluminiumoxid (Al2O3) oder Tellurdioxid (TeO2) – geringfügig erwärmt. Das lässt sich im Prinzip mit kryogenen Detektoren messen, die fast auf den absoluten Temperatur- Nullpunkt gekühlt sind, auf 10 bis 100 Millikelvin. Dies ist das Ziel von Experimenten, die unter Abkürzungen wie CDMS, CRESST, CUORE, EDELWEISS und EURECA firmieren.
· Ionisation: Zuweilen sollte die Energieübertragung durch die WIMPs sogar ausreichen, um das eine oder andere Elektron in Bewegung zu versetzen und seinem Atomkern zu entreißen, also ein Atom zu ionisieren. Dabei entsteht ein winziger elektrischer Strom. Darauf spezialisierte Detektoren basieren beispielsweise auf Germanium, Silizium oder Kadmiumtellurid. Das ist die Aufgabe von Experimenten wie CDMS, CoGeNT, EDELWEISS, GENIUS, HDMS, IGEX und TEXONO.
· Szintillation: Das WIMP regt manchmal ein getroffenes Atom dazu an, ein Photon auszusenden. Diese Strahlung könnten hochempfindliche Photomultiplier messen. Dazu sind freilich große Mengen an Detektormaterial nötig, etwa flüssiges Xenon oder Natriumiodid. Diese Strategie verfolgen beispielsweise die Projekte ArDM, DAMA, DEAP/CLEAN, KIMS, LUX, NAIAD, WARP, XMASS, XENON und ZEPLIN.
ERSTER NACHWEIS UND VIEL STREIT
Eines der ältesten und bekanntesten Experimente ist DAMA (DArk MAtter) unter der Leitung von Rita Bernabei von der Universität Rom. Es begann bereits 1996 im italienischen Untergrundlabor von Gran Sasso, 1,4 Kilometer unter dem Gebirgsmassiv. DAMA basiert auf zuerst fast 90, seit 2003 250 und künftig sogar 1000 Kilogramm Natriumiodid-Kristallen. Seit 1998 berichten die Forscher von Lichtblitzen, die sie auf WIMPs zurückführen. Diese hätten eine Masse von wenigen Gigaelektronenvolt, wären also etwas schwerer als ein Proton (0,928 Gigaelektronenvolt). Stimmt die Interpretation, dann wäre das der erste direkte Nachweis von Dunkler Materie – und der Nobelpreis nur eine Frage der Zeit. Allerdings sind sowohl die Messungen selbst als auch ihre Deutung umstritten. Etliche konkurrierende, oft sogar empfindlichere Experimente fanden nämlich bis heute keine Signale. Eine Bestätigung steht also aus.
Seit einigen Jahren misst DAMA außerdem eine jahreszeitliche Variation der Szintillationen. Im Sommer sind sie etwas häufiger als im Winter. Das interpretieren die DAMA-Forscher als Folge des Umlaufs der Erde um die Sonne. Denn im Sommer bewegt sich die Erde in der gleichen Richtung wie die Sonne um das Galaktische Zentrum, und die aus dem galaktischen Halo aufgesammelten WIMPs müssten sich demnach addieren (siehe Grafik links „Unsichtbare Brise im All”). Doch trotz vieler Kritik und sogar Anfeindungen sind die DAMA-Forscher zuversichtlich. „Die Toten, die man umbringt, sind gesund”, zitierte Graciela Gelmini von der University of California in Los Angeles auf einer Konferenz 2005 ein spanisches Sprichwort. Was sie damit meint: Die DAMA-Ergebnisse sollte man keineswegs abschreiben, auch wenn alle konkurrierenden Experimente erfolglos waren – bis zum Dezember 2009.
Da gaben Jodi Cooley und ihre Kollegen von CDMS II zwei Ereignisse von 2007 bekannt, die von WIMPs stammen könnten. Das Experiment CDMS II (Cryogenic Dark Matter Search) läuft in der Soudan-Mine im Norden des US-Bundesstaats Minnesota, 700 Meter unter der Erde. Es sucht nach von WIMPs verursachten Schwingungen in Germanium- und Silizium-Kristallen, die fast auf den absoluten Temperaturtiefpunkt heruntergekühlt sind. Auch wenn die Daten keinen zuverlässigen Nachweis bedeuten, sind sie doch bemerkenswert, weil das Vorläuferexperiment CDMS nichts entdeckte und immer wieder als Argument gegen die DAMA-Resultate ins Feld geführt wurde.
GERMANIUM HILFT WEITER
Ebenfalls in der Soudan-Mine befindet sich seit Ende 2009 das CoGeNT-Experiment (Coherent Germanium Neutrino Technology). Es ist winzig im Vergleich zu DAMA: Das Herzstück bildet ein 440 Gramm leichter Germanium-Kristall. In jeder Sekunde sollten 100 Millionen WIMPs durch ihn sausen und hin und wieder ein Atom ionisieren. Und genau darüber berichtete Juan Collar von der University of Chicago im Februar 2010 auf einer Konferenz in Kalifornien. Schon in den ersten 56 Betriebstagen meinten die Forscher, einige Hundert WIMP-Ereignisse gemessen zu haben. Falls ihnen der Strahlungshintergrund keinen Streich gespielt hat, besitzen die WIMPs eine Masse von etwa 7 bis 11 Gigaelektronenvolt.
Seither hat sich das Resultat erhärtet. Nach 442 Tagen Messungen gab es – wie bei DAMA – sogar Anzeichen einer saisonalen Variation, berichtete Juan Collar auf einer Tagung der American Physical Society im kalifornischen Anaheim im Frühjahr 2011. Aufgrund eines Brands in der Soudan-Mine musste das Experiment allerdings unterbrochen werden. Geplant ist, bald ein Kilogramm Germanium-Kristalle einzusetzen.
Ob die CoGeNT- und DAMA-Daten zusammenpassen oder nicht, ist umstritten. Viele Physiker sind skeptisch. Auch die saisonalen Schwankungen machen Forscher stutzig, denn ein asymmetrischer WIMP-„Gegenwind” ist nicht die einzige Erklärung. David B. Cline von der University of California in Los Angeles betont, dass bei verschiedenen Experimenten immer wieder solche Variationen in Untergrundlaboratorien gemessen werden, meistens gibt es mehr Signale im Frühjahr und Sommer. Die Physiker rätseln. Möglicherweise ist die Erklärung eine verstärkte Neutronen-Produktion durch kosmische Myonen.
Die ersten Ergebnisse des Experiments XENON 100 im Gran Sasso brachten einen weiteren Wermutstropfen. Es ist mit 100 Kilogramm flüssigem Xenon zurzeit der größte und empfindlichste WIMP-Detektor. Medienwirksam gab Elena Aprile an der Columbia University im April die ersten Daten bekannt: Lediglich drei unerklärte Ereignisse in 100 Tagen Messzeit, wobei mindestens zwei statistisch zu erwarten waren. Sie stammen beispielsweise vom Zerfall von Krypton-85, das in Spuren sogar in dem hoch reinen Xenon vorkommt. Das magere Resultat war für die DAMA- und CoGeNT-Forscher nicht nur enttäuschend. Es brachte sie auch in ernste Schwierigkeiten, weil es mit ihren Daten kaum vereinbar ist.
Das gilt genauso für die bisherigen Resultate von EDELWEISS (Expérience pour DEtecter Les Wimps En Site Souterrain) in Frankreich, 1800 Meter unter der Erde im Modane-Untergrundlabor an der Grenze zu Italien. Der 20 Millikelvin kalte Detektor misst seit einem Jahrzehnt mit zunehmender Präzision Gitterschwingungen und Ionisationen in zehn 400-Gramm-Germanium-Kristallen – doch von WIMPs bislang keine Spur. Aber EDELWEISS läuft noch und wird 2013 von EURECA (European Underground Rare Event Calorimeter Array) abgelöst, das ab 2016 mehrere Jahre lang mit einer Tonne Detektormaterial messen soll. Auch XENON100 bleibt in Betrieb – bald sogar mit der zehnfachen Xenon-Menge.
„Die Situation hat zu Spannungen geführt”, sagt Dan Hooper vom Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia, Illinois. Schon werden die Kontroversen zuweilen „WIMP-Wars” genannt. Es gab Ärger um vorab publizierte Zwischenergebnisse, den Vorwurf einer schlampigen Datenauswertung, Frust über nicht veröffentlichte Rohdaten sowie Streit um die wahre Empfindlichkeit und Funktionsweise der Detektoren. Der Zank gipfelte im September in München in der Empfehlung von CoGeNT-Sprecher Juan Collar, die Kontrahenten sollten erst einmal ihre physikalischen Hausaufgaben machen. Keine Frage – wie überall sind auch hier Eitelkeiten, Wichtigtuerei und persönliche Antipathien im Spiel. Aber zuletzt werden sich doch alle den Fakten und ihrer theoretischen Begründung beugen müssen. Im Augenblick sind vor allem mehr und präzisere Daten gefragt. Und die sind bereits in Arbeit. Den vorerst letzten Trumpf für die WIMPs legten im September Forscher vom Max-Planck-Institut für Physik in München auf den Tisch – nach ersten unbestätigten Gerüchten bereits im März auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Karlsruhe. Sie berichteten davon, dass ihr Experiment CRESST II (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers) Gitterschwingungen und Szintillationslicht registriert habe. Insgesamt 20 Ereignisse – nach Elimination von über doppelt so vielen Störenfrieden – maßen die Wissenschaftler um Franz Pröbst zwischen Juni 2009 und April 2011 mit den auf zehn Millikelvin gekühlten Kalzium-Wolframat-Kristallen (CaWO4), die unter dem Gran Sasso stationiert sind. Wenn WIMPs für die Signale verantwortlich waren, betrüge deren Masse etwa 12 oder 25 Gigaelektronenvolt.
Die Messungen von CRESST II sorgen freilich auch dann nicht für die ersehnte Klarheit, wenn die Signale „echt” sind. Sie haben die Situation sogar noch komplizierter gemacht und dem WIMP-Krieg neue Munition geliefert. Denn auch die CRESST-Messungen widersprechen XENON – und liegen an anderen Stellen im Parameterbereich als die Resultate von DAMA und CoGeNT. Noch ist die Arena der Möglichkeiten also völlig offen:
· Vielleicht gibt es keine WIMPs, sondern nur anderweitig zu klärende Messeffekte.
· Oder es gibt WIMPs, aber keines der Experimente hat sie bislang gefunden.
· Oder es gibt WIMPs, aber nicht alle „positiven” Resultate sind richtig.
· Oder es existieren sogar mehrere Arten von WIMPs, sodass die scheinbar widersprüchlichen Ergebnisse doch zusammenpassen.
IST DIE DUNKLE MATERIE WÄHLERISCH?
Warum aber fand XENON bislang nichts? Vielleicht wechselwirken WIMPs mit Protonen anders als mit Neutronen, hat Jonathan Feng von der University of California in Irvine kürzlich vorgeschlagen. Tatsächlich ist das Protonen-zu-Neutronen-Verhältnis von Xenon und Germanium unterschiedlich. „Die Experimente scheinen sich zu widersprechen, aber wenn man die theoretischen Annahmen verändert, könnte alles zusammenpassen”, spekuliert Feng. Eine gute physikalische Begründung gibt es für seine Hypothese allerdings noch nicht. Trotz der unübersichtlichen und schwierigen Gesamtsituation sind die meisten Wissenschaftler zuversichtlich. Die verbesserten und neuen Experimente werden in den nächsten Monaten und Jahren sicherlich Klarheit bringen.
Inzwischen gibt es sogar eine realistische Chance, die widerspenstigen WIMPs nicht nur zu erhaschen, sondern auch im Labor zu erzeugen – im Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) bei Genf. Vier Detektoren, jeweils so groß wie ein Mehrfamilienhaus, sind hier um eine unterirdische Teilchenrennbahn gruppiert. In den beiden Röhren von 27 Kilometer Umfang werden Protonen oder Blei-Atomkerne auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dann aufeinander geschossen. In den Trümmern aus diesen Miniaturkarambolagen suchen mehrere Tausend Physiker nach Spuren neuer Teilchen und von Zuständen der Materie, wie sie weniger als eine Millionstel Sekunde nach dem Urknall herrschten – überall im Universum. Dabei könnte auch Dunkle Materie entstehen, so die teils schon aus den 1970er-Jahren stammenden und seitdem vielfach präzisierten Voraussagen.
DIE WELT DER SUSY
Theoretischer Rahmen ist die unter Teilchenphysikern sehr beliebte Supersymmetrie – kurz SUSY. Sie ist die gegenwärtig am meisten Erfolg versprechende Kandidatin für eine Theorie jenseits des Standardmodells der Elementarteilchen (bild der wissenschaft 5/2004, „SUSY, Higgs und Technicolor”). SUSY ist am detailliertesten ausgearbeitet und macht die genauesten Vorhersagen. Die Grundidee ist eine durch Symmetrieprinzipien bestehende fundamentale Verwandtschaft zwischen den Fermionen (also zum einen Leptonen wie dem Elektron und zum anderen den Quarks), aus denen die gewöhnliche Materie besteht, und den Bosonen, die die Kräfte übermitteln. Mit der Ausdehnung und Abkühlung des Universums wurde die Symmetrie gebrochen – seitdem gehen die Partikel eigene Wege. SUSY erfordert die Existenz einer Fülle neuer Teilchen, von de-nen freilich noch kein einziges nachgewiesen ist. Das leichteste supersymmetrische Partikel (LSP) mit einer mutmaßlichen Masse von wenigen Dutzend Gigaelektronenvolt müsste stabil sein, kann also nicht von selbst zerfallen. Es ist der ideale WIMP-Kandidat. Allerdings ist nicht klar, welches SUSY-Teilchen das LSP wäre. Am beliebtesten ist das Neutralino.
Für viele Experimentalphysiker sind die Details angesichts der Modellvielfalt zweitrangig. Wichtiger ist: Zahlreichen Supersymmetrie-Modellen zufolge sollte das LSP nicht nur stabil sein, sondern auch eine Masse haben, die der LHC theoretisch erzeugen könnte. Solche LSPs würden sich indirekt bemerkbar machen: durch das Fehlen von Energie beziehungsweise Impuls in der Gesamtbilanz der gemessenen Kollisionstrümmer. Die LSPs würden sich also nicht direkt messen lassen, aber ihre Existenz wäre im Ausschlussverfahren dennoch gut zu belegen. Bislang gibt es dafür zwar keine Hinweise. Aber der LHC läuft ja erst seit Ende 2009, und noch nicht einmal mit voller Kraft. Eine LSP-Produktion wäre eine nobelpreiswürdige Sensation. Doch damit würden die Experimente zum Nachweis der Dunklen Materie keineswegs überflüssig – im Gegenteil. Es müsste immer noch gezeigt werden, dass das LSP ein WIMP ist, welche Eigenschaften es hat, und ob es wirklich die Dunkle Materie bildet, nach der die Astronomen suchen.
DAS ALBTRAUM-SZENARIO
Was aber, wenn der LHC kein supersymmetrisches Teilchen findet – und überhaupt keine Indizien für eine Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik? Manche Forscher sprechen von einem „Albtraum-Szenario”. Für die Jäger nach der Dunklen Materie wäre es allerdings keine Katastrophe. Wie eine Forschergruppe um Gianfranco Bertone von der Universität Zürich vor wenigen Monaten berechnet hat, können Experimente wie XENON sowie die großen Messgeräte für energiereiche Neutrinos – allen voran IceCube am Südpol – den verbleibenden Parameterbereich der Dunklen Materie vollständig überprüfen und zumindest die einfachen supersymmetrischen Modelle hinreichend testen.
Falls der LHC wider Erwarten nicht einmal das letzte noch fehlende Partikel im Standardmodell entdeckt, das Higgs-Teilchen, dann stünde die minimale Supersymmetrie sowieso vor dem Aus. In den nächsten fünf bis zehn Jahren, ist Bertone überzeugt, wird also genügend Licht in die finsteren Ecken der Physik fallen, um zu sehen, ob die Dunkle Materie wirklich existiert und, wenn man sie findet, woraus sie besteht. ■
von Rüdiger Vaas
Unsichtbare Brise im All
Wahrscheinlich besteht die Dunkle Materie aus noch unbekannten Elementarteilchen (WIMPs), die Galaxien und Galaxienhaufen einhüllen. Deshalb sollte die Erde bei ihrer Bewegung um die Sonne und mit dieser durch die Milchstraße mehr oder weniger stark dem „Wind” dieser Partikel ausgeliefert sein – abhängig von den Jahreszeiten. Tatsächlich gibt es Laborexperimente – Aufsehen erregt besonders DAMA (Dark Matter Search) seit 1998 –, die eine solche jahreszeitliche Schwankung gemessen haben könnten.
Die Suche nach den Finsterlingen
Wenn die Dunkle Materie aus WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) besteht, müssten sich diese Elementarteilchen im Labor nachweisen lassen. Inzwischen gibt es ein paar Dutzend Experimente, mit denen das versucht wird. Das Diagramm zeigt den Parameterbereich der WIMPs abhängig von ihrer Masse und der Stärke ihrer Wechselwirkung („Wirkungsquerschnitt”) mit der normalen Materie der eingesetzten Detektoren. Inzwischen gibt es mehrere – allerdings noch ungesicherte und umstrittene – Indizien (farbig markierte Messwerte) sowie Ausschlussgrenzen (alles, was über den gebogenen Linien liegt: dort haben die Detektoren nichts gefunden). Im blau eingezeichneten Bereich sind die WIMPs prominenten physikalischen Modellen zufolge zu erwarten. Die immer empfindlicher werdenden Detektoren können ihn bald ausloten.
KOMPAKT
· Schon vier Experimente fanden Anzeichen für fremdartige Teilchen, aus denen die Welt hauptsächlich bestehen soll – die ominösen WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles).
· Demnächst könnten WIMPs sogar auf der Erde erzeugt werden.
Lesen
Auf der Suche nach der Dunklen Materie und einer neuen Physik:
Richard Panek DAS 4%-UNIVERSUM Hanser, München 2011, € 24,90
Dan Hopper DUNKLE MATERIE Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2008, € 24,95
Lisa Randall KNOCKING ON HEAVEN’S DOOR Random House, London 2011, € 17,95
Internet
Einführung und Bilder: chandra.harvard.edu/xray_astro/dark_matter/index.html
Experimente in der Übersicht: www.dmoz.org/Science/Astronomy/ Cosmology/Dark_Matter/





