Dunkle Materie: Es wird eng für WIMP und Co

Der Raum für schwere Teilchen der Dunklen Materie wird enger. Denn auch die leistungsstarken Detektoren des neuen LHAASO-Observatoriums in China konnten kein signifikantes Gammastrahlungs-Signal solcher Teilchen im Milchstraßenzentrum finden. Ein solches Signal müsste der Theorie zufolge beim Zerfall der Partikel entstehen. Das bedeutet: Entweder sie zerfallen nicht oder die Dunkle Materie besteht doch aus anderen, viel leichteren Teilchen.

Die Natur der Dunklen Materie gehört zu den großen noch ungelösten Rätseln der Astronomie. Zwar prägt ihre Schwerkraftwirkung die Milchstraße und alle fast anderen Galaxien. Doch aus welchen Teilchen diese unsichtbare Materieform besteht, ist unbekannt. Bisher ist nicht einmal geklärt, ob die Teilchen der Dunklen Materie leicht sind wie die hypothetischen Axionen, sterilen Neutrinos und „dunklen Photonen“ oder ob sie massereich sind wie die lange als Favoriten gehandelten WIMPs.

Wo verbergen sich die Dunkle-Materie-Teilchen?

Doch alle Versuche, die Teilchen der Dunklen Materie mithilfe spezieller Detektoren nachzuweisen, scheiterten bisher. Einige vermeintliche Auffälligkeiten in den Daten erwiesen sich zudem im Nachhinein als Messfehler oder Hintergrundeffekt, wie beim vieldiskutierten Signal im XENON1T-Detektor. Bisher konnten alle diese Messungen daher nur feststellen, wo sich die Dunkle-Materie-Teilchen nicht mehr verstecken können – immerhin hilft auch dies dabei, ihre Natur weiter einzugrenzen.

Jetzt liefert das Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) in China eine weitere Eingrenzung für die Dunkle-Materie-Teilchen. Das rund einen Quadratkilometer große Feld von Antennen und Teleskopen im Südwesten Chinas ist speziell dafür ausgelegt, die durch auf die Erdatmosphäre treffende kosmische Strahlung erzeugten Teilchenschauer zu messen. Diese sekundären Teilchenkaskaden entstehen, wenn Gammastrahlung, energiereiche Photonen und andere kosmische Teilchen auf die Gasatome der Atmosphäre treffen.

Fahndung nach Gammastrahlen aus dem Herz der Milchstraße

Damit jedoch eignet sich das LHAASO-Observatorium auch als potenzieller Detektor für Dunkle Materie. Denn gängiger Theorie zufolge könnten die Teilchen der Dunklen Materie energiereiche Gammastrahlen erzeugen, wenn sie zerfallen oder miteinander kollidieren und sich dabei gegenseitig unter Energiefreisetzung auslöschen. In diesem Fall müssten die Orte mit besonders hoher Dunkle-Materie-Dichte, wie das Zentrum der Milchstraße, einen messbaren Überschuss an energiereicher Gammastrahlung freisetzen.

„Extrem energiereiche Strahlung bietet daher die einzigartige Chance, nach schweren Dunkle-Materie-Teilchen mit Massen oberhalb von 100 Teraelektronenvolt zu suchen“, erklären Zhen Cao vom Institut für Hochenergiephysik in Peking und seine Kollegen. Sie haben mithilfe der LHAASO-Detektoren nach sekundären Teilchen solcher Gammastrahlen im Energiebereich von 100 Gigaelektronenvolt bis zu einem Petaelektronenvolt gesucht. Dafür werteten sie 570 Tage an Daten für einen Himmelsbereich am galaktischen Zentrum und vier davon entfernte Vergleichszonen aus.

Kein Überschuss nachweisbar

Doch die Astronomen wurden nicht fündig: Sie konnten im Milchstraßenzentrum nicht mehr energiereiche Gammastrahlen nachweisen als in den Vergleichsgebieten. „Wir können demnach keinen signifikanten Beleg für ein Dunkle-Materie-Signal finden“, berichten Cao und sein Team. Ihre Nicht-Detektion grenzt damit den Massen- und Energiebereich für schwere Teilchen der Dunklen Materie noch weiter ein – etwa fünf- bis zehnmal strikter als frühere Fahndungen.

Das aber bedeutet: Entweder die hypothetischen Schwergewichte unter den Dunkle-Materie-Teilchen existieren nicht und die Dunkle Materie besteht demnach aus sehr viel leichteren Teilchen wie Axionen oder dunklen Photonen. Oder aber es gibt doch schwere Dunkle-Materie-Teilchen, aber sie haben eine extrem lange Lebensdauer von vielen Milliarden Jahren. Dadurch wäre seit dem Urknall erst so wenig Dunkle Materie zerfallen oder ausgelöscht, dass sie keine signifikante Strahlenspur hinterlassen hat.

Welche mögliche Erklärung zutrifft, ist bisher allerdings völlig offen. Die Natur der Dunklen Materie und ihre Teilchen bleiben damit vorerst weiter ein ungelöstes Rätsel unseres Kosmos. (Physical Review Letters, 2022; doi: 10.1103/PhysRevLett.129.261103)

Quelle: American Physical Society (APS)