Dunkle Materie: Hat das LZ-Experiment Wimps entdeckt?

Die Dunkle Materie ist ein seltsamer Stoff. Aus ihr besteht der überwiegende Teil der gesamten Materie im Universum, 85 Prozent. Überall soll sie sein. Sie soll Galaxien geformt haben und deren Bewegungen beeinflussen. Und doch hat kein Astronom die mysteriöse Materieform bislang direkt beobachten können. Denn sie ist völlig unsichtbar, selbst für die leistungsfähigsten optischen Teleskope. Sie sendet kein Licht aus, absorbiert es aber auch nicht. Allein über ihre Gravitationswirkung auf normale Materie macht sich die rätselhafte Schattenwelt des Kosmos bemerkbar. Obwohl nach wie vor nicht klar ist, woraus die Dunkle Materie besteht, bevorzugt die Mehrheit der Physiker sogenannte 'Weakly Interacting Massive Particles' (Wimps) als Erklärung – schwere Teilchen, die nicht mit normaler Materie wechselwirken. Gelegentlich könnte es aber vorkommen, dass ein Wimp-Teilchen mit einem Atomkern kollidiert, wobei Energie etwa in Form von Strahlung freigesetzt wird. Mit zahlreichen unterirdischen Experimenten versucht man, auf diese Weise der Wimps habhaft zu werden, allerdings ohne Erfolg. Bis jetzt. Der mit flüssigem Xenon gefüllte Hauptdetektor von Lux-Zeplin vor der Installation im Untergrundlabor. Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility Denn Forscher des Dunkle-Materie-Experiments 'Lux Zeplin' (kurz LZ), das seit einigen Jahren im Sanford-Untergrundlabor in South Dakota in Betrieb ist, haben nun einen möglichen Fahndungserfolg vermeldet. In dem mit zehn Tonnen flüssigen Xenons gefüllten Tank habe man ein Signal gemessen, das von einem Wimp-Teilchen stammen könnte, welches mit einem Xenonkern kollidiert sei. Überrascht hat die Forscher die hohe Energie des Rückstoßes, den der Atomkern im Zuge der Kollision mitbekommen hat, was für ein massives Dunkle-Materie-Teilchen sprechen würde, das durch den Detektor geflogen ist. Das Ereignis habe man bereits zwischen März 2023 und April 2024 beobachtet, und die gemessenen Daten seien seitdem einer eingehenden Analyse unterzogen worden, schreiben die Forscher in ihrer noch nicht begutachteten Veröffentlichung auf dem Preprint-Server 'arXiv'. So massiv wie 200 Protonen Die Forscher geben die statistische Signifikanz der Messung mit 2,6 Sigma an, weshalb sie nur von einem Hinweis und keiner Entdeckung sprechen. Letztere bedarf einer Signifikanz von mindestens fünf Sigma. Deshalb besteht die Möglichkeit, dass das Signal auch eine andere Ursache hat, etwa ausgelöst von einem bekannten Teilchen. Die Wechselwirkung mit dem Xenonkern muss dann über einen bislang unbekannten Prozess erfolgt sein, so die Forscher. Das LZ-Projekt zählt zu den empfindlichsten Experimenten, die weltweit nach Wimps suchen. Damit möglichst keine kosmische Strahlung und Neutronen aus der Umgebung die Messungen stören, wird der Behälter mit dem hochreinen flüssigen Edelgas von einem riesigen Wassertank abgeschirmt, der sich 1500 Meter unter der Erde in der ehemaligen Homestake-Goldmine im Süden Dakotas befindet. Dennoch kann es zu Störsignalen kommen. Normalerweise lassen die sich schnell als solche identifizieren, doch dieses Mal ist die Interpretation des Signals nicht so klar. Querschnitt des LZ-Experiments: Eine zylindrische Kammer ist mit flüssigem Xenon gefüllt und von zusätzlichen Schichten umgeben, um Hintergrundteilchen zu detektieren oder abzublocken (links). Kollidiert ein Wimp-Teilchen mit einem Xenonkern (rechts), entstehen ein Lichtblitz und Elektronen. Diese werden von Detektoren am oberen und unteren Ende der Kammer nachgewiesen. Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory 'Wir sind begeistert von diesem Ereignis, das in dem Bereich auftritt, in dem wir Dunkle Materie erwarten und in dem die Störsignale sehr gering sind', sagt Rick Gaitskell von der Brown University und Sprecher der LZ-Kollaboration, der 250 Wissenschaftler und Ingenieure von 39 Instituten aus sechs Ländern angehören. Da es sich aber nur um ein einziges Ereignis handele, wollte man nichts überstürzen. 'Wir behaupten nicht, Dunkle Materie beobachtet zu haben. Aber wir haben etwas Interessantes entdeckt, das wir der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Diskussion vorlegen möchten.' Falls hinter dem Ereignis tatsächlich ein Wimp-Teilchen steckt, hätte es den Forschern zufolge eine Masse von mindestens 200 Gigaelektronenvolt und wäre damit etwa 200-mal so schwer wie ein Proton. Weil es aber einen unerwartet großen Rückstoß erzeugt hat, würde das auf eine besondere Art der Wechselwirkung zwischen Wimps und gewöhnlicher Materie hindeuten. Dunkle Materie oder doch unbekanntes Hintergrund-Ereignis? Der Physiker Christian Weinheimer von der Universität Münster hält es trotz der unerwartet hohen Rückstoßenergie ebenfalls für möglich, dass das Signal von einem massereichen Wimp-Teilchen ausgelöst wurde, das mit einem Xenonkern kollidierte. 'In allgemeiner formulierten Theorien kann man die Energie des Ereignisses erklären.' Weinheimer sucht mit seinen Kollegen selbst nach Dunkle-Materie-Teilchen, wofür sie das ähnlich sensitive Experiment 'XENONnT' betreiben, welches im Gran-Sasso-Untergrundlabor in den italienischen Abruzzen untergebracht ist. Der XENONnT-Detektor im Inneren des Wassertanks XENONnT-Kollaboration Es könnte aber durchaus sein, dass das Ereignis von einem bisher übersehenen Effekt oder Hintergrund herrührt. 'Um die Entdeckung eines Wimps zu verifizieren, verlangt die Teilchenphysik hohe statistische Signifikanz, um Fehlinterpretationen zu vermeiden', sagt Weinheimer. Bis man in Sanford die Statistik durch weitere Messungen verbessert hat, will man bei XENONnT und anderen Experimenten auch nach Ereignissen mit hoher Rückstoßenergie Ausschau halten. 'Ich hoffe, wir erhalten in nicht allzu langer Zeit eine Bestätigung, dass Wimps tatsächlich existieren, oder die Zweifel werden weiter bestehen bleiben.' Zwar hat man bei XENONnT, das ebenfalls flüssiges Xenon als Nachweismedium nutzt, bislang keine Hinweise auf die flüchtigen Wimps gefunden. Möglicherweise, weil man sich bisher vorwiegend auf geringere Rückstoßenergien konzentriert hat. Diese werden von den existierenden Modellen bevorzugt behandelt. Dafür können die Forscher im Gran-Sasso-Untergrundlabor jetzt mit einer anderen wichtigen Beobachtung aufwarten. Sie haben erstmals sehr niederenergetische solare Neutrinos mit XENONnT messen können. Diese ungeladenen, äußerst flüchtigen Elementarteilchen werden bei der Verschmelzung von Wasserstoffkernen in der Sonne erzeugt.