Warum suchen Wissenschaftler 2000 Meter unter der Erde nach dunkler Materie?
Obwohl wir sie nicht sehen oder mit herkömmlichen Instrumenten aufspüren können, macht die dunkle Materie etwa 27 % der gesamten Energiedichte des beobachtbaren Universums aus. Aber wie kann man ihre Existenz beweisen, geschweige denn verstehen, wie sie aussieht oder wie sie funktioniert? Kürzlich ist Wissenschaftlern vielleicht klar geworden, dass sie, um dunkle Materie zu finden, nach ihr suchen müssen... tief im Inneren der Erde. Schauen wir uns an, wie das möglich ist.
Die Suche nach dunkler Materie in den Tiefen der Erde
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Nach Ansicht einiger Physiker können wir dunkle Materie nicht nachweisen, weil sie aus Teilchen besteht, die nur schwach mit gewöhnlicher Materie wechselwirken. Aus diesem Grund werden sie als WIMPs oder Weak Interacting Massive Particles bezeichnet. Wie können wir sie finden? Wenn sie nur schwach mit gewöhnlicher Materie wechselwirken und alles um uns herum gewöhnliche Materie ist, ist das dann nicht zu komplex? Technisch gesehen, ja und nein.
Das Lawrence Berkeley National Lab in Kalifornien hat in der Sanford Underground Research Facility in Colorado ein Experiment namens LUX-ZEPLIN eingerichtet. Es ist der größte Detektor für dunkle Materie, der je gebaut wurde, und wurde 1500 Meter tief in der Erdkruste platziert.
Ziel ist es, die Störung durch die Hintergrundstrahlung zu begrenzen und so die Wechselwirkungen zwischen gewöhnlicher Materie und dunkler Materie nachzuweisen. Im Inneren des LUX-ZEPLIN, der aus einem Material besteht, das sehr wenig Strahlung abgibt, befinden sich 10 Tonnen flüssiges Xenon.
Wenn die Teilchen der dunklen Materie mit den Xenon-Atomen zusammenstoßen, erzeugen sie einen Lichtblitz und die Freisetzung von Elektronen.
Was hat das LUX-ZEPLIN-Experiment bis jetzt herausgefunden?
Kilo-Degree Survey Collaboration/H. Hildebrandt & B. Giblin/ESO - CC BY 4.0 DEED
Wie man sich denken kann, gehen WIMP-Teilchen keine leicht nachweisbare Wechselwirkung mit Materie ein, auch nicht mit dem LUX-ZEPLIN-Experiment. Den Wissenschaftlern zufolge muss das Experiment so nah wie möglich an die Bedingungen herankommen, unter denen die schwachen Wechselwirkungen zwischen gewöhnlicher Materie und dunkler Materie nachgewiesen werden können, zumindest in ihren Auswirkungen. Und das ist nicht so einfach.
Bisher hatte LUX-ZEPLIN nämlich kein Glück, das zu finden, wonach es suchte. Wie erwartet waren die Wechselwirkungen sehr selten, und an keiner war dunkle Materie beteiligt. Jedes negative Ergebnis ist jedoch ein Fortschritt in der wissenschaftlichen Forschung, denn es handelt sich um sehr kleine Messungen mit sehr empfindlichen Instrumenten: Keine dunkle Materie zu finden bedeutet auch, dass noch empfindlichere Instrumente gebaut werden müssen, die noch kleinere Messungen durchführen können.
Auch China will dunkle Materie finden
NASA, ESA and R. Massey (California Institute of Technology)
Mehrere Jahre lang war LUX-ZEPLIN der einzige Detektor für dunkle Materie, der sich tief im Erdinneren befand: Das ist jetzt nicht mehr der Fall. In China wurde nämlich vor kurzem das CJPL (Chinese Jinpin Underground Laboratory) in Betrieb genommen, das sich dasselbe Ziel gesetzt hat wie sein amerikanisches Pendant. In 2400 Metern Tiefe gelegen und mit einem vier Tonnen schweren Xenon-Detektor ausgestattet, will das Labor als erstes die Wechselwirkungen der dunklen Materie mit der gewöhnlichen Materie nachweisen.
Dies ist eine der interessantesten und faszinierendsten Forschungen seit Jahrzehnten, aber der Weg dorthin ist für alle steinig. Andererseits ist es nicht einfach, eine Antwort auf die Frage zu finden, wie das Universum beschaffen ist, und zwar mit den Instrumenten, die wir bisher haben. Es wäre so, als würde man versuchen, die Frage "Was sehen Sie?" zu beantworten, aber die Augen geschlossen halten.
