Der Dunklen Materie auf der Spur

Neue, im Untergrundlabor im italienischen Gran Sasso gewonnene Daten verraten die Spur der Dunklen Materie. Dies könnte ihren baldigen Nachweis möglich machen und begründet die Hoffnung, eines der fundamentalsten Rätsel der Physik zu lösen. Die Ergebnisse des sogenannten XENON100-Experiments werden heute in der Fachpublikation «Physical Review Letters» eingereicht . Die Universität Zürich ist führend am Experiment wie auch am Bau des zugehörigen XENON100-Detektors beteiligt.

Laura Baudis, Physikerin an der Universität Zürich, und ihre Gruppe sind führend an diesen Experimenten beteiligt, deren Ziel der Nachweis Dunkler Materie ist. Dunkle Materie ist eine unsichtbare, aber zugleich wesentliche Komponente des Universums, die über achtzig Prozent aller Materie ausmacht.

Bisher wurde Dunkle Materie nur indirekt, über ihre Anziehungskraft auf sichtbare Materie nachgewiesen. Die Dunkle Materie könnte aus neuen Teilchen, sogenannte WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), die im Urknall entstanden sind, bestehen. Solche WIMPs könnte man direkt, über ihre Streuung mit Atomkernen, nachweisen.

Mittels des unterirdischen XENON100-Detektors soll dieser Nachweis von WIMPs nun gelingen. Der Detektor befindet sich im Untergrundlabor im italienischen Gran Sasso, wo 1400 Meter Fels das Experiment unter anderem vor störender kosmischer Strahlung abschirmen.

Jetzt liegt die Auswertung von Daten vor, welche während hundert Tagen mit einer bisher unerreichten Sensitivität gemessen wurden. «Hinweise für die Existenz von WIMPs liefern diese Daten zwar noch keine», fasst Laura Baudis die Ergebnisse zusammen. «Aber sie grenzen den Bereich für die künftige Suche ein, d.h.: Wusste man bisher nicht, wo suchen, kann jetzt der Bereich der Suche klar definiert werden. Ausserdem lassen sich aus diesen Daten die bisher stärksten Einschränkungen für Modelle der Teilchenphysik ableiten.»

Kennzeichnend für das XENON100-Experiment ist dessen Sensitivität den Signalen gegenüber: Bedingt durch den im Vergleich mit allen anderen Experimenten zur Suche nach Dunkler Materie niedrigsten Strahlungsuntergrund ist dieser bei XENON100 substantiell höher. Und gemäss theoretischen Erwartungen könnte genau dies zu einem baldigen Nachweis von WIMPs führen.

Der XENON100-Detektor misst in gut 60 kg flüssigem Xenon kleinste Licht- und Ladungssignale, welche durch seltene Kollisionen zwischen WIMPs und Xenon-Atomen stattfinden. Noch in diesem Jahr wird XENON100 weiter Daten sammeln, und gleichzeitig werden Pläne für einen wesentlich grösseren Nachfolgedetektor verfolgt. Für die nahe Zukunft folgert Laura Baudis: «Die kommenden Jahre werden spannend, denn es gibt berechtigte Hoffnung, eines der fundamentalsten Rätsel der Physik lösen zu können. Und dabei findet gleichsam auch eine Begegnung von Kosmologie und Teilchenphysik statt. Denn: Die direkte Beobachtung von WIMPs würde durch die damit einhergehende Manifestation von Dunkler Materie einen unmittelbaren Zusammenhang zwischen den grössten Strukturen im Kosmos und der subatomaren Welt herstellen.»

Literatur E. Aprile, K. Arisaka, F. Arneodo, A. Askin, L. Baudis, A. Behrens et al. (XENON100 Collaboration), Dark Matter Results from 100 Live Days of XENON100 Data submitted to Physical Review Letters on April 14, 2011.