Mittwoch, 4. Mai 2011

Im Inneren der Erde und im All - Der Dunklen Materie auf der Spur

Falle für Dunkle Materie: Zum Schutz vor kosmischer Strahlung befindet sich das "Xenon100"-Experiment unter 1400 Meter Fels im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor. WIMPs können die Erde durchdringen und erreichen den Detektor, der durch mehrere Schichten aus Wasser, Blei, Plastik und Kupfer gegenüber Radioaktivität aus dem Gestein abgeschirmt ist. Bei der Reaktion eines WIMP im flüssigen Xenon werden Lichtblitze erzeugt, die Photomultiplier (im Bild) registrieren | Copyright: Rice University

Berlin/ Deutschland - Die normale Materie, aus welcher Sterne, Planeten und nicht zuletzt auch wir Menschen bestehen, macht gerade einmal fünf Prozent der insgesamt im Universum existierenden Materie aus. 23 Prozent, so vermuten Wissenschaftler, bestehen aus der immer noch mysteriösen "Dunklen Materie" und 72 Prozent aus "Dunkler Energie". Derzeit laufen gleich mehrere Forschungsprojekte, deren Ziel es ist, Dunkle Materie und Dunkle Energie nachzuweisen.

Theoretische und experimentelle Indizien sprechen dafür, dass sie Dunkle Materie aus noch unbekannten Elementarteilchen besteht, die überall im Universum vorhanden sind. Physiker nennen sie WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), weil sie mit normaler Materie so gut wie keine Wechselwirkung eingehen. "Aus diesem Grund haben sich die Teilchen bisher jedem direkten Nachweis entzogen und machen sich lediglich über ihre Schwerkraft in astronomischen Beobachtungen bemerkbar", erläutert die Presseinformation des "Max-Planck-Institut für Kernphysik" (mpi-hd.mpg.de) in Heidelberg.

Im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor läuft denn auch derzeit das Experiment "Xenon100", mit dem eine internationale Kollaboration die mysteriösen Teilchen direkt nachzuweisen sucht. Vor kurzem veröffentlichten die Forscher die Auswertung von hundert Tagen Messzeit: Ein signifikantes Signal für Dunkle Materie liegt zwar noch nicht vor, aber genau daraus ergeben sich die weltbesten Einschränkungen für Massen und Wechselwirkungsstärken der WIMPs, die bereits merklich in den vorhergesagten Bereich reichen. Die jüngsten Resultate des Detektors "Xenon100" haben auch Auswirkungen auf die Theorie der Teilchenphysik und die Experimente am Beschleuniger LHC des CERN in Genf.

Laut Manfred Lindner, der das "Xenon100"-Experiment am "Max-Planck-Institut für Kernphysik" leitet, besteht der Detektor "aus einem Tank, der mit 162 Kilogramm extrem reinem flüssigen Xenon gefüllt ist. Stößt hierin ein WIMP mit einem Atom zusammen, so löst es einen Lichtblitz aus, und es erzeugt gleichzeitig elektrische Ladungen. Wird ein solches Doppelereignis gemessen, ist dies ein Hinweis auf die Existenz eines Dunkle-Materie-Teilchens, dessen Masse sich auch bestimmen ließe."

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Eine sehr große technische Herausforderung besteht darin, den Detektor vor Störstrahlung - vor allem durch natürliche Radioaktivität - zu schützen. Dafür wurde das Xenon extrem gereinigt und der Detektor mit mehreren Schichten aus unterschiedlichen Materialien gegen äußere Einflüsse abgeschirmt.

Bislang konnten drei solcher Ereignisse gemessen werden. Diese stimmen jedoch mit der Vorhersage der Wissenschaftler für die in hundert Tagen statistisch zu erwartenden Störereignisse überein, weswegen die Forscher noch vorsichtig sind aber erklären, dass das Ergebnis nur Grenzen für WIMPs liefert. Aktuell laufe der Detektor mit deutlich verbesserter Reinheit. "Wir sind daher sehr gespannt, was die Analyse dieser Daten später im Jahr bringen wird", so Lindner.

"Wir haben damit den Bereich, in dem es WIMPs geben kann, stark eingeschränkt. Theoretische Vorhersagen legen für diese Teilchen einen wahrscheinlichsten Massenbereich fest, der in der Größenordnung von 100 Gigaelektronenvolt liegt, was etwa der Masse eines Xenon-Atomkerns entspricht. Genau in dieses Gebiet sind wir mit Xenon100 vorgestoßen und haben es stark eingeengt. Der erlaubte Bereich für die WIMPs wird also immer kleiner."

Schon der Teilchenbeschleuniger LHC am "Europäischen Kernforschungszentrum" (CERN) könnte die theoretisch vorhergesagten WIMPs jetzt schon nachweisen, vorausgesetzt, dass sich die WIMPs in dem vorhergesagten Massenbereich befinden.

Zwar könnten WIMPs auch sehr viel leichter und damit für den Xenon100-Detektor nicht mehr messbar sein, doch verliere man dann das sogenannte WIMP-Wunder. "Damit bezeichnen wir die Tatsache, dass neue Teilchen, wie sie aus den Unzulänglichkeiten des Standardmodells der Teilchenphysik erforderlich werden, aus dem Urknall automatisch die richtige Menge an Dunkler Materie liefern", erläutert Lindner. "Man sieht hier schon, dass wir gewissermaßen ein vielteiliges Puzzle zusammensetzen, und es ist bemerkenswert, wie Indizien aus ganz verschiedenen Bereichen konsistent zusammenpassen. Leichte oder sehr leichte WIMPs passen hier deutlich schlechter ins Gesamtbild. Aber ausschließen kann man sie nicht."

Neben der Verfeinerung der Messwerte planen die Forscher für das nächste Jahr eine vergrößerte Version von "Xenon100" unter der Bezeichnung "Xenon1T" mit 2,5 Tonnen Xenon, wie er 2014 fertig gestellt werden und dann 2015 erste Messungen liefern soll.

Selbst wenn mit diesen Aufwendungen kein direkter Nachweis der dunklen Materie gelingen sollte, wäre dieser Umstand für die Wissenschaftler "höchst interessant, weil damit die Frage, was Dunkle Materie wirklich ist, noch mysteriöser würde."

Neben "Xenon100" bemühen sich Wissenschaftler auch im Weltraum um den Nachweis für Dunkle Materie. Hier soll das "Alpha-Magnet-Spektrometer" (AMS) mit verschiedenen Detektoren an der Außenseite der Internationalen Raumstation "ISS" die kosmische Strahlung im Weltraum untersuchen. Mit dem für kommende Woche angesetzten Start des Space Shuttle "Endeavour" wird die Ausrüstung hierfür zur Raumstation gebracht.

Künstlerische Darstellung der Internationalen Raumstation ISS | Copyright: NASA

Rund 500 Wissenschaftler aus 16 Ländern sind an dem vom "Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt" (DLR, dlr.de) unterstützten Projekt beteiligt. Das Ziel der Forscher ist es, Hinweise auf Dunkle Materie und Antimaterie zu entdecken. "Mit dem AMS-Experiment wird erstmals auch die Astrophysik in der wissenschaftlichen Nutzung der ISS Einzug halten", betont DLR-Vorstandsvorsitzender Prof. Johann-Dietrich Wörner.

Mit einem kräftigen Magneten soll das Spektrometer die geladenen Teilchen der kosmischen Strahlung durch die Detektoren lenken und diese Teilchen dann wie eine riesige Kamera abbilden. "Das AMS ist ein Instrument in einer Größenordnung, wie wir es normalerweise nur auf der Erde betreiben würden", erklärt der deutsche Projektleiter Prof. Stefan Schael von der "Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule" (RWTH) Aachen. Hier würde man jedoch lediglich die Zerfallsprodukte der Weltraum-Strahlung feststellen können, denn diese treten mit der schützenden Erdatmosphäre in eine Wechselwirkung - und gelangen daher nicht mehr in ihrer ursprünglichen Form auf die Erde. "Die große Herausforderung war es also, ein Präzisionsinstrument in den Weltraum zu bringen, das auch den Start mit dem Shuttle übersteht", betont der Projektleiter. "Normalerweise schließen sich hohe Messgenauigkeit, große Empfindlichkeit und solche Robustheit, wie sie ein Shuttlestart verlangt, aus." Schließlich misst der Spurdetektor, das Herzstück des Instruments, die Durchstoßpunkte der Teilchen mit einer Genauigkeit von einem Zehntel eines Haardurchmessers, erläutert die Pressemitteilung des DLR.

Die aktuelle Mission mit dem AMS-02 soll vor allem dazu beitragen, das Rätsel um die Dunkle Materie und die Antimaterie zu lösen. "Von dem, was unser Universum ausmacht, können wir derzeit gerade einmal vier Prozent mit unserer Physik erklären - den übrigen 96 Prozent haben wir Namen wie 'Dunkle Materie' und 'Dunkle Energie' gegeben, wissen darüber aber so gut wie nichts", sagt Schael.

Zurzeit geht die Wissenschaft davon aus, dass die Dunkle Materie aus neuen Elementarteilchen besteht, die zum Beispiel dafür sorgen, dass unsere Sonne in einer stabilen Bahn um das Zentrum der Milchstraße kreist. "Nur, wenn wir der Dunklen Materie auf die Spur kommen, können wir sagen, ob diese Theorie Sinn macht." Das AMS fahndet im Weltall ebenfalls mit einer bisher unerreichten Empfindlichkeit nach Anti-Materie. Dabei gehe es um eine der wichtigsten aktuellen Fragen in der Physik, erklärt Schael. In der Astrophysik gilt nach heutigem Stand die Hypothese, dass nach dem Urknall ebensoviel Materie wie Antimaterie entstand. Bisher wurde jedoch im Weltall noch keine Antimaterie entdeckt. "Würden wir mit AMS zum Beispiel einen Anti-Kohlenstoff-Atomkern messen, wäre das ein Hinweis darauf, dass unser Universum in der Tat symmetrisch ist und nach dem Urknall eine räumliche Trennung zwischen Materie und Antimaterie stattgefunden hat."

Pro Sekunde werden die Detektoren des AMS etwa 2000 Teilchen "sehen", die durch das Experiment an der Außenseite der ISS fliegen. Für jedes einzelne dieser Teilchen, die zum Beispiel von den Überresten gewaltiger Supernova-Explosionen im All zeugen, können dabei nicht nur die Energie, sondern auch Masse und elektrische Ladung bestimmt werden. "Wir erstellen uns mit dem AMS damit quasi eine Fotografie von diesem Teilchendurchgang mit allen Detektoren." Ausgestattet ist das Alpha-Magnet-Spektrometer für einen Betrieb an der Raumstation ISS über mehrere Jahrzehnte. Damit erfasst es die kosmische Strahlung auch über einen ganzen solaren Zyklus hinaus, bei dem sich alle elf Jahre das Magnetfeld der Sonne ändert.

"Wir stehen mit unserer Forschung noch ganz am Anfang", sagt Schael. "Aber bereits jetzt ist sicher: Mit dem AMS werden wir viel über die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung lernen und somit auch darüber, wie unsere Galaxie aufgebaut ist."

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Quellen: grenzwissenschaft-aktuell.de / mpg.de / dlr.de
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