Dunkle Materie: Keine Spur von WIMPs

Fahndung geht weiter: Der Suchbereich für Teilchen der Dunklen Materie ist weiter geschrumpft. Denn auch der weltweit sensitivste Detektor für diese theoretisch postulierten Partikel hat bis zum Ende seiner Laufzeit kein Signal registriert. Das Large Underground Xenon (LUX) Experiment sollte explizit nach „Weakly Interacting Massive Particles“ (WIMP) suchen, dem zurzeit vielversprechendsten Kandidaten für Dunkle Materie-Teilchen.

Die Dunkle Materie nimmt vier Fünftel unseres Universums ein, doch woraus sie besteht, ist nach wie vor unbekannt. Als wahrscheinlichster Kandidat für Teilchen der Dunklen Materie gelten zurzeit Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs), schwere Teilchen, die mit normaler Materie kaum interagieren. Ähnlich wie die Neutrinos könnten diese WIMPs daher zu Milliarden die Erde und unseren Körper passieren, ohne dass wir etwas davon merken.

Fahndung im Untergrund

Genau dies jedoch macht den direkten Nachweis der WIMPs – sollten sie überhaupt existieren – so schwer. Möglich ist dies nur, wenn die wenigen Fälle, in denen doch ein WIMP mit einem Atom kollidiert, registriert werden. Das 2012 eigens für die Fahndung nach WIMPs konstruierte Large Underground Xenon (LUX) Experiment nutzt dafür einen Tank, der mit 370 Kilogramm gekühltem flüssigen Xenon gefüllt ist.

Kollidiert in diesem Tank ein WIMP mit einem Xenon-Atom, wird Energie in Form eines Photons frei. Photodetektoren im Boden und Deckel des Tanks sollen diese winzigen Lichtblitze registrieren und so die Passage des Dunkle Materie -Teilchen nachweisen. Um Störeinflüsse durch kosmische Strahlung zu minimieren, liegt der Detektor gut 1,5 Kilometer unter der Erde in einem ehemaligen Bergwerk in South Dakota und ist zusätzlich von einem isolierenden Wassertank umgeben.

Kein Signal der WIMPs

Nach gut 20 Monaten Laufzeit hat nun die LUX-Kollaboration ihre finalen Ergebnisse vorgestellt. Die gute Nachricht: Der Detektor repräsentiert die bisher umfassendste und längste direkte Suche nach den geheimnisvollen Teilchen der Dunklen Materie. „LUX hat seit 2013 die weltbeste Sensitivität für WIMPs bewiesen“, erklärt LUX-Sprecher Rick Gaitskell von der Brown University.

Der LUX-Detektor besteht aus einem Xenongefüllten Tank (links), in dessen Decke und Boden Photosenosren eingelassen sind. Das Ganze ist von einem isolierenden Wassertank umgeben. © Carlos Faham/ Brown University/ luxdarkmatter

Die schlechte Nachricht: Trotz dieser hohen Empfindlichkeit und nahezu einer halben Millionen Gigabyte an Daten hat LUX kein eindeutiges Signal von WIMPs gefunden. „Was wir beobachtet haben, entspricht allein dem Hintergrundrauschen“, so Gaitskill. So registrierte der Detektor unter anderem passierende solare Neutrinos, einfallende Gammastrahlen und Teilchen aus internen Atomzerfällen.

Leichtere WIMPs werden unwahrscheinlicher

Was aber bedeutet dies für die Suche nach den Teilchen der Dunklen Materie? Wie die Forscher erklären, weiß man nun vor allem eines: Wo die WIMPs wahrscheinlich nicht zu finden sind. Das negative Ergebnis des Detektors schließt nun einige potenzielle Masse- und Energiebereiche für diese Teilchen ziemlich sicher aus. „Das LUX-Ergebnis legt die Messlatte für die Suche nach der Dunklen Materie nun höher“, kommentiert die US-Physikerin Natalie Roe vom Lawrence Berkeley Laboratory.

Konkret werden nun leichtere WIMPs, für die einige weniger sensible Detektoren in den letzten Jahren „verdächtige“ Ausschläge registriert hatten, als Dunkle-Materie-Kandidaten eher unwahrscheinlich. „Unser Null-Resultat ist daher durchaus bedeutsam, denn es schränkt Modelle für die Natur der Dunklen Materie weiter ein als jedes vorhergehende Experiment“, erklärt LUX-Forscher Cham Ghag vom University College London.

Weiteren Aufschluss erhoffen sich sie Physiker nun vom Folge-Experiment LUX-ZEPLIN (LZ), das zurzeit im Bau ist und 2020 seine Arbeit aufnehmen soll. Dieser Detektor wird zehn Tonnen flüssiges Xenon enthalten und soll 70 Mal empfindlicher sein als sein Vorgänger.

(Lawrence Berkeley Lab/ University College London, 25.07.2016 – NPO)