Eines der größten RätselErster Nachweis von Dunkler Materie gelungen?
Seit Jahrzehnten fahnden Forscher nach Dunkler Materie, die 85 Prozent der Masse im Universum ausmachen soll. Ein Detektor tief unter der Erde im US-Bundesstaat South Dakota registriert nun möglicherweise ein vielversprechendes Signal. Doch die Messung wirft neue Fragen auf.
Noch ist es kein Durchbruch. Aber es könnte einer werden. Es geht um eines der größten Rätsel des Universums: Dunkle Materie. Seit Jahren versuchen Forscher, ihre Existenz direkt nachzuweisen. Und womöglich ist es ihnen nun erstmals gelungen. Ein Forschungsteam hat auf einer Konferenz in Japan bekannt gegeben, dass es ein Signal gemessen hat, das vielleicht der erste Beleg für die Existenz eines Dunkle-Materie-Teilchens ist. Aber nur vielleicht.
Dunkle Materie soll etwa 85 Prozent der Masse im ganzen Universum ausmachen. Bisher macht sie sich nur indirekt bemerkbar. Sie soll ein Phänomen erklären, das Astronomen seit Jahrzehnten Rätsel aufgibt: Galaxien rotieren deutlich schneller, als es ihnen möglich sein sollte. Nach Newtons Gravitationsgesetz müssten sie durch ihre Drehung eigentlich auseinanderfliegen – tun sie aber nicht. Daher wurde das Konzept der Dunklen Materie entwickelt. Sie soll durch ihre zusätzliche Anziehungskraft die Galaxien zusammenhalten.
Doch lange blieb der direkte Nachweis von Dunkle-Materie-Teilchen erfolglos. Vielleicht bis jetzt. Aber was genau haben die Forscher gemessen?
„Lediglich ein hochenergetisches Ereignis“
Das Ganze fand tief unter der Erde statt, in einer ausgedienten Goldmine im US-Bundesstaat South Dakota. Dort steht ein gewaltiger Tank gefüllt mit dem flüssigen Edelgas Xenon: ein Dunkle-Materie-Detektor namens LUX-ZEPLIN (LZ). Die Hoffnung ist, dass irgendwann ein Teilchen Dunkler Materie mit einem Xenon-Atomkern kollidiert und dabei ein winziger Lichtblitz entsteht, der gemessen werden kann.
Und genau das ist nun womöglich geschehen, berichtet das LZ-Forschungsteam, das mit dem Detektor arbeitet. Die Forscher hatten Daten von 220 Messtagen aus dem Zeitraum von März 2023 bis April 2024 analysiert. Dabei stießen sie auf ein einzelnes ungewöhnliches Ereignis: Ein Xenonkern erhielt einen Rückstoß mit einer Energie von rund 248 Kiloelektronenvolt. Eine überzeugende Erklärung durch bekannte Hintergrundeffekte fanden die Forscher bislang nicht.
Dies passt zu einer Theorie, wie Dunkle Materie beschaffen sein könnte. Allerdings bleiben die Forscher noch zurückhaltend: „Was wir beobachten, ist lediglich ein hochenergetisches Ereignis“, betonte Teammitglied Samuel Eriksen gegenüber der Online-Ausgabe von „Nature“. Er ist Teilchenphysiker an der University of Bristol und hatte das Ergebnis auf der Fachkonferenz TeV Particle Astrophysics in Japan vorgestellt. „Wir behaupten keineswegs, dass es sich dabei um Dunkle Materie handelt.“
Die Suche nach dem WIMP
Wonach Eriksen und seine Kollegen suchen – und vielleicht nun gefunden haben – sind sogenannte WIMPs. Der Name steht für „Weakly Interacting Massive Particles“, zu Deutsch: Schwach wechselwirkende massereiche Teilchen. Dabei soll es sich um sehr schwere Teilchen handeln, die im Prinzip überall herumschwirren. Allerdings bekommt man in der Regel nichts davon mit, weil sie nicht mit normaler Materie interagieren, außer über ihre Gravitation und die schwache Wechselwirkung.
Man weiß bisher nicht, ob es WIMPs tatsächlich gibt – sie sind nur eine Theorie, was Dunkle Materie sein könnte. Aber das nun gemessene Signal würde zu einem WIMP passen. Allerdings auch wieder nicht so ganz: Denn eigentlich ist der gemessene Energieblitz zu stark. Jedenfalls stärker als erwartet. Das könnte dafür sprechen, dass es sich um einen sehr schnellen WIMP handelt. Allerdings hätten die Forscher dann viele weitere, weniger energiereiche Zusammenstöße erwartet, was aber nicht beobachtet wurde.
Aber das Forschungsteam selbst weiß noch nicht, was es davon halten soll: „Wie soll man so ein einzelnes Ereignis überhaupt einordnen?“, so der Mitbegründer des LZ-Projekts und Teilchenastrophysiker Tom Shutt gegenüber dem Magazin „Science“. „Wir haben einfach beschlossen, dass wir es veröffentlichen und uns wirklich, wirklich, wirklich intensiv Gedanken darüber machen sollten, was dieses Ereignis sein könnte.“
„Wenn das wahr ist, wird es sehr schnell gehen“
Wie geht es jetzt weiter? Laut „Science“ hat der LZ-Detektor in den USA bereits etwa dreimal so viele Daten gesammelt, wie für diese Analyse verwendet wurden. Das Team hofft, dort weitere Hinweise auf Zusammenstöße zu finden. Auch die beiden anderen großen Dunkle-Materie-Detektoren XENONnT in Italien und PandaX in China können sich nun auf die Suche machen, um den Befund zu bestätigen oder zu widerlegen. Juan Collar, Physiker und Veteran der direkten Dunkle-Materie-Suche, sagte gegenüber „Nature“, dass eine Bestätigung bald möglich sein sollte: „Wenn das echt ist, wird es sehr schnell gehen.“ Sollte es sich bestätigen, dass es sich tatsächlich um Dunkle Materie handelt, wäre dies in der Physik wohl eine der größten Entdeckungen seit Jahrzehnten.
Die Analyse wurde bisher nur als Preprint veröffentlicht, sie ist also noch nicht von unabhängigen Forschern überprüft worden. Das Forschungsteam will den Artikel nun bei dem Fachmagazin „Physical Review Letters“ einreichen.
