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Forschung im Untergrund: Neuer Detektor soll Dunkle Materie aufspüren

Aus dem Gran-Sasso-Untergrundlabor berichtet

Noch niemand hat bisher die geheimnisvolle Dunkle Materie direkt nachweisen können. Dabei müsste das ganze Universum voll davon sein. Ein Experiment an einem ungewöhnlichen Ort in Italien soll die Suche nun voranbringen.

Xenon-Kollaboration

Wenig Zeit? Am Textende gibt's eine Zusammenfassung.


Knapp fünf Prozent - das schreibt sich so leicht dahin. Doch was es bedeutet, dass wir bislang nur einen so kleinen Teil unseres Universums kennen, ist eigentlich kaum zu begreifen. Klar ist: Die "normale", sichtbare Materie macht nur ein Zwanzigstel der Gesamtmasse des Kosmos aus. Und da ist schon vom Proton bis zum Gänseblümchen, vom Pinguin bis zu Galaxienhaufen alles mit eingerechnet.

Vom Rest haben wir keine Ahnung. Dieser Rest, das sind Dunkle Materie (rund 27 Prozent) und Dunkle Energie (etwa 68 Prozent). Wobei diese Begriffe eigentlich nur Hilfskonstruktionen sind. Sie sollen Wissenschaftlern dabei helfen, ihre Beobachtungen zu erklären - warum Galaxien zusammenhalten zum Beispiel. Oder warum das Universum immer schneller expandiert. Denn nur mit Dunkler Materie und Dunkler Energie, so die gängige Meinung, lässt sich das überhaupt begründen.

Dumm nur, dass weder das eine noch das andere bisher direkt nachgewiesen werden konnte. Ein Experiment an einem ganz besonderen Ort soll nun zumindest der Dunklen Materie dichter auf die Spur kommen. Im Gran-Sasso-Untergrundlabor in Italien, tief unter den Gipfeln der Abruzzen bei L'Aquila, ist dazu am Mittwoch das riesige Messinstrument "Xenon 1T" eingeweiht worden. Es gilt als hundertmal sensibler als die Geräte bei bisherigen Versuchen, der Dunklen Materie ihr Geheimnis zu entreißen.

Die italienische Teilchenphysikerin Elena Aprile von der Columbia University in New York durfte zur Feier des Tages eine Flasche Prosecco an der schützenden Außenhülle von "Xenon 1T" zu Bruch gehen lassen. "Auf die Dunkle Materie", lautete Apriles Trinkspruch vor rund 80 Kollegen und Gästen.

Nicht dass andere Forscher nicht auch schon versucht hätten, den kontaktscheuen Teilchen auf die Spur zu kommen. Sie krochen in Berge in Australien, den USA, Kanada, Italien, Spanien, Großbritannien, Italien und China - weil das darüber liegende Gestein die ideale Abschirmung gegen kosmische Strahlung lieferte. Dort installierten sie ihre Detektoren, maßen und maßen - und fanden: nicht allzu viel.

Geheimnisvollen Partikeln auf der Spur: Der neue Detektor "Xenon 1T" soll erstmals Teilchen der Dunklen Materie entdecken. Diese machen immerhin rund 27 Prozent des Universums aus - also deutlich mehr als die uns bisher bekannte Materie. Sie bringt es gerade einmal auf fünf Prozent.

Tief verborgen: "Xenon 1T steht im Gran-Sasso-Untergrundlabor in Italien, tief unter den Gipfeln der Abruzzen bei L'Aquila. Deren...

...Gestein soll kosmische Strahlung so gut wie möglich abschirmen. Außerdem ist es arm an natürlicher Radioaktivität, die durch Thorium und Uran verursacht werden kann.

Einfacher Zugang: Ins Labor kommt man nicht etwa wie in ein Bergwerk mit einem Förderkorb, sondern mit einem Bus durch den nebenan verlaufenden Tunnel der Autostrada 24. Das Labor mit seinen drei großen Hallen ist gewissermaßen ein Anbau.

Edelgas: Gelegentlich könnten sich Teilchen der Dunklen Materie verraten. Forscher suchen im Detektor nach seltenen Kollisionen mit Atomen normaler Materie - im konkreten Fall mit solchen aus tiefgekühltem Xenon. Insgesamt eine Tonne ist jeweils im Detektorraum, dreieinhalb Tonnen kommen für das gesamte Experiment zum Einsatz.

Blick ins Innere: Schon bald wird der Tank mit 750 Kubikmetern demineralisiertem Wasser gefüllt sein, um auch die letzten Reste natürlicher Radioaktivität draußen zu halten. Inmitten der Wasserabschirmung befindet sich dann das flüssige Xenon in einer Art Thermoskanne.

Installation der Technik: Partikel der Dunklen Materie finden, das wollen auch andere Teams, so etwa am Lux-Zeppelin-Experiment am Stanford Linear Accelerator Center in den USA. Es soll sogar mit zehn Tonnen gekühltem Xenon direkte Nachweise versuchen, allerdings erst ab 2019. Im Gran-Sasso-Labor (hier im Bild) will man schneller sein.

Hochsensibel: Gesucht wird nach zwei Lichtblitzen. Der erste müsste entstehen, wenn ein Teilchen der Dunklen Materie auf ein Xenon-Atom trifft. Weil dabei auch ein Elektron frei wird, gibt es einige Zeit danach noch einen zweiten Blitz, wenn das negativ geladene Teilchen unter Hochspannung zum Rand des flüssigen Xenons wandert und dort in die Gasphase übertritt. Die Fahndung übernehmen 248 Lichtsensoren.

Aufrüstbar: Die Forscher arbeiten schon jetzt am nächstgrößeren Modell ihres Detektors, mit noch mehr Xenon. Dafür könnten größere Teile der nun eingeweihten Infrastruktur wieder benutzt werden.

Zwar gab es etwa 2009 an einem Messgerät im Boden unter dem US-Bundesstaat Minnesota eine mögliche Erfolgsmeldung, zwei Jahre später auch im Gran-Sasso-Labor. Doch endgültige Gewissheit gibt es nach wie vor nicht. Auch der mächtige Teilchendetektor AMS (Alpha-Magnet-Spektrometer) auf der Internationalen Raumstation konnte bisher nur Beobachtungen liefern, die den gängigen Modellen der Dunklen Materie zumindest nicht widersprechen.

Kann "Xenon 1T" nun tatsächlich den ersten direkten Nachweis bringen?

Womöglich. "Die Sensitivität des Experiments geht in den Bereich hinein, wo man etwas erwartet", sagt etwa Manfred Lindner vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg. Schon nach nur sechs Messtagen werde "Xenon 1T" bessere Daten liefern, als es sie derzeit auf der Welt gibt. Und Laura Baudis von der Universität Zürich sagt: "Wir können nichts garantieren. Aber in der Gegend, wo wir messen, könnte schon etwas liegen."

Billardspielen mit unsichtbaren Kugeln

Woraus Dunkle Materie besteht, weiß bisher noch niemand. Als ein möglicher Kandidat gelten sogenannte Axionen. Sie werden unter anderem in den USA beim sogenannten ADMX-Experiment an der University of Washington gesucht - bislang vergeblich. Bei "Xenon 1T" fahndet man dagegen nach "schwach wechselwirkenden massereichen Teilchen", die auf Englisch als "weakly interacting massive particle" bezeichnet werden. "Das ist der überzeugendste Kandidat für Dunkle Materie", sagt Lindner.

Abgekürzt heißt das Teilchen Wimp, also Schwächling. Das passt. Denn Dunkle Materie hat normalerweise kein großes Interesse an einem Techtelmechtel mit normaler Materie. Etwa 100.000 Wimps dürften pro Sekunde durch eine Fläche von der Größe unseres Daumennagels rasen. Höchstwahrscheinlich ohne irgendwelche Folgen, auch wenn es einzelne Wissenschaftler gibt, die Dunkle Materie sogar mit der Entstehung von Krebs in Verbindung bringen.

Der Weltraum, unendliche Weiten - und fast ein Viertel des Universum besteht, so schätzen Forscher, aus Dunkler Materie.

Kosmos-Karte: Zu sehen ist ein Bereich, der weniger als ein Prozent des Firmaments abdeckt. Rote Farbtöne stellen große Masse-Ansammlungen dar, in blauen Bereichen ist es relativ leer.

Gute Übereinstimmung: Die dunklen Punkte markieren Galaxienhaufen. Sie ballen sich dort, wo auch die unsichtbare Dunkle Materie in großer Konzentration vorhanden ist.

Sichtbares All: Diese Teleskopbilder zeigen, wie dicht sich die Galaxien an den Hotspots der Dunklen Materie drängen - und wie leer es dort ist, wo sich wenig von der mysteriösen Masse befindet.

Gelegentlich könnten sich die Geisterteilchen wohl aber verraten. Forscher suchen deswegen nach seltenen Kollisionen von Wimps mit Atomen normaler Materie, im konkreten Fall mit solchen aus tiefgekühltem Xenon. "Wir spielen Billard mit unsichtbaren Kugeln", beschreibt es Lindner.

Damit man Zusammenstöße in dem auf -95 Grad heruntergekühlten - und damit flüssigen - Edelgas überhaupt mitbekommen kann, braucht es einiges an Aufwand. Über dem Detektor liegen zunächst einmal 1400 Meter Gestein, die ihn von der kosmischen Strahlung abschirmen. Ins Untergrundlabor kommt man aber nicht etwa wie in ein Bergwerk mit einem Förderkorb, sondern mit einem Bus - durch den nebenan verlaufenden Tunnel der Autostrada 24. Das Labor mit seinen drei jeweils 110 Meter langen und 15 Meter hohen Hallen, die an Luftschiffhangars erinnern, ist gewissermaßen ein Anbau.

Auf der Suche nach zwei Lichtblitzen

Die Messgeräte des "Xenon 1T"-Experiments sind aber nicht nur durch das Gestein geschützt, sondern auch durch den zehn Meter hohen Wassertank. An dem hatte Physikerin Aprile ihre Prosecco-Flasche zerschellen lassen. Schon bald wird der Tank mit 750 Kubikmetern demineralisiertem Wasser gefüllt sein, um natürliche Radioaktivität draußen zu halten.

Inmitten der Wasserabschirmung befindet sich dann das flüssige Xenon in einer Art Thermoskanne. Insgesamt eine Tonne ist jeweils im Detektorraum, dreieinhalb Tonnen kommen für das gesamte Experiment zum Einsatz. Auch in diesem Xenon gibt es keine natürliche Radioaktivität.

Sie könnte höchstens von Krypton-Verunreinigungen stammen. Die müssen deswegen herausgefiltert werden. Übrig bleiben sie in einer Mini-Konzentration, die einem Tropfen Wasser in einer Menge von 400 Olympischen Schwimmbecken entspricht.

Gesucht wird dann nach zwei Lichtblitzen. Der erste müsste entstehen, wenn ein Wimp, so es denn existiert, auf ein Xenon-Atom trifft. Weil dabei auch ein Elektron frei wird, gibt es einige Zeit danach auch noch einen zweiten Blitz - wenn das negativ geladene Teilchen unter Hochspannung zum Rand des flüssigen Xenons wandert und dort in die Gasphase übertritt. Die Fahndung übernehmen 248 Lichtsensoren. Sie sind so sensibel, dass sie selbst einzelne Photonen nachweisen können.

Was, wenn das Geisterteilchen wieder entwischt?

Aber wer sagt eigentlich, dass nur ein einziges Wimp-Partikel existiert? "Es spricht nichts dagegen, dass es auch mehrere Teilchen gibt", sagt Baudis. "Aber wir sollten vielleicht erst einmal eines finden, bevor wir das annehmen."

Wimps finden, das wollen auch andere Teams. So hofft man zum Beispiel am Teilchenbeschleuniger LHC in Genf darauf, solche Partikel durch die Kollision von Protonenstrahlen bei hohen Energien zu erzeugen - auch wenn man die Geisterteilchen hier nur indirekt sehen könnte. Oder am "Lux-Zeplin"-Experiment, das am Sanford Underground Laboratory im US-Bundesstaat South Dakota entsteht. Es soll sogar mit zehn Tonnen gekühltem Xenon direkte Nachweise versuchen, allerdings erst ab 2019.

Große Multimedia-Reportage
Im Gran-Sasso-Labor will man deswegen schneller sein: In diesen Tagen wird das Experiment langsam hochgefahren, ab Anfang des kommenden Jahres sollen die eigentlichen Messungen starten. Zwei Jahre lang wollen die Forscher nach den verräterischen Lichtblitzen von Kollisionen Ausschau halten. Elena Aprile hat bei der Einweihung für diesen Fall Champagner statt Prosecco versprochen.

Doch was, wenn die 120 Wissenschaftler des "Xenon 1T"-Experiments am Ende wieder nichts finden? Was, wenn ihnen das Geisterteilchen wieder entwischt? Einen weiteren Versuch soll es auch dann noch geben. Die Forscher arbeiten schon jetzt am nächstgrößeren Modell ihres Detektors, mit noch mehr Xenon. Dafür könnten größere Teile der nun eingeweihten Infrastruktur wieder benutzt werden.

Sollte allerdings auch ein aufgehübschtes Messgerät nichts finden, wird es langsam kritisch: "Dann müssen wir uns fragen, ob wir vielleicht doch an der falschen Stelle gesucht haben", sagt Physiker Lindner.


Zusammengefasst: Im Untergrundlabor im italienischen Gran Sasso wollen Forscher mit einem neu eingeweihten Messinstrument Dunkle Materie nachweisen. Bislang weiß allerdings niemand so genau, woraus diese überhaupt besteht. Wissenschaftler hoffen auf verräterische Lichtblitze, die durch Teilchen-Kollisionen entstehen könnten.

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1. ... victiv:
frankfreifrank 12.11.2015
Dunkle Materie ist nur eine rechnerische, eine victive, pardon: fiktive Größe. Ja. victiv - bis die Rechnung platzt. Und dann wird wieder ein Gott-Teilchen ausgerufen. Elendsspiele des Pseudorationalen!
2. Dann bleibt zu hoffen und zu wünschen, daß die Gran-Sasso-Spezialisten ihr neues Spielzeug im Griff haben...
darkmattenergy 12.11.2015
...um sich nicht wieder - wie zwischen anno 2009 bis 2011 maßgeblich durch fehlerhafte Glaskabelsignalstrecken getäuscht - gedrängt zu fühlen, eine vergleichbare Pressekonferenz wie damals zu so revolutionierend fantastischen Ergebnissen wie überlichtschnellen Neutrinos abzuhalten. SCNR ;-)
3. Faszinierend
aleger3 12.11.2015
Gibt es eine Abschätzung, wie groß die Masse eines Wimp ist? Verhält es sich mutmaßlich ähnlich wie ein Neutrino? Für mich spannende Fragen an Physiker im Forum.
4. @3: Wikipedia reicht für diese Fragen
Rosa3000 12.11.2015
Braucht man keinen Physiker. Der könnte aber vielleicht die geplanten Tests besser erläutern. Da geht es ja immer nur um indirekte Nachweise.
5. Wahrheiten
hmutt 12.11.2015
Zitat von darkmattenergy...um sich nicht wieder - wie zwischen anno 2009 bis 2011 maßgeblich durch fehlerhafte Glaskabelsignalstrecken getäuscht - gedrängt zu fühlen, eine vergleichbare Pressekonferenz wie damals zu so revolutionierend fantastischen Ergebnissen wie überlichtschnellen Neutrinos abzuhalten. SCNR ;-)
Der Unterschied zwischen Wissenschaft und Religion ist, dass nur die Religion behauptet, im Besitz der absoluten Wahrheit zu sein. Wissenschaft nähert sich der Wahrheit in kleinen Schritten an. Und oft genug muss man auch ein paar Schritte zurück gehen, um Erkenntnis zu gewinnen, man lernt auch aus Fehlern. Wenn Ihnen das nicht passt, sollten Sie in die Kirche gehen. Da sind die Wahrheiten einfach und leicht verdaulich.
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