nd-aktuell.de / 01.12.2022 / Wissen / Seite 1

Jagd nach unbekannten Teilchen

1000 Meter unter der Erde – in einer Goldmine in Australien – sucht eine Physikerin nach Dunkler Materie. Was das genau sein könnte, ist ein ungelöstes Rätsel der Physik.

Barbara Barkhausen

Die Physikerin Elisabetta Barberio im Untergrundlabor der Universität Melbourne

Foto: University of Melbourne

Tief im Inneren einer Goldmine in Stawell im australischen Bundesstaat Victoria suchen Forscher nach einer unsichtbaren Substanz, die noch niemand zuvor gesehen hat. Und das obwohl 85 Prozent der Materie in unserem Universum daraus bestehen sollen. Dunkle Materie[1] wird dieser mysteriöse Stoff genannt, der so etwas wie der Heilige Gral für Physiker ist, ihr Nachweis wäre nobelpreisverdächtig. Wissenschaftler aus aller Welt sind auf der Suche nach Dunkler Materie. Eine Gruppe von Forschern am italienischen Untergrundlabor Gran Sasso glaubt sogar, Signale der Dunklen Materie aufgezeichnet zu haben, doch niemand sonst konnte ihre Messungen bisher nachvollziehen oder bestätigen.

Die neueste Hoffnung liegt nun auf einem Experiment tief unter der Erde in Australien. Auch hinter dem neuen Projekt steht eine Italienierin. Elisabetta Barberio arbeitet jedoch unabhängig von ihren Landsleuten, die glauben, ein erstes Signal gefunden zu haben. Die Physikerin forscht in der »Experimental Particle Physics Group«, also der Gruppe für experimentelle Teilchenphysik, gemeinsam mit drei weiteren Kollegen für die Universität von Melbourne. Barberio hat für ihre Tests eine Goldmine 240 Kilometer nordwestlich von Melbourne auserkoren. 1000 Meter unter der Erde will die Italienerin dort fünf Jahre lang mit ihren Kollegen nach Dunkler Materie suchen, während die Bergleute in der Mine parallel nach dem wertvollen Edelmetall graben. Die Forschung wird von der australischen Regierung unterstützt und hat erst 2020 wieder Forschungsgelder in Höhe von fast einer halben Million Australische Dollar, umgerechnet fast 300 000 Euro, erhalten.

Theoretische Annahmen seit den 30ern

Astronomen ahnten bereits in den 1930er-Jahren, dass es im Universum noch mehr geben muss als das, was sie durch die Teleskope sehen konnten. Einer der damaligen Forscher, der Schweizer Astronom Fritz Zwicky stellte 1933 fest, dass sich die Bewegungen von Sternsystemen nur unter Annahme einer zusätzlichen, unsichtbaren Art von Materie verstehen ließen. Er wurde jedoch nicht ernst genug genommen und so gerieten seine Berechnungen wieder in Vergessenheit.

Erst in den 1960ern konnte die Astronomin Vera Rubin[2] dann schlüssig zeigen, dass es etwas wie Dunkle Materie geben muss. Sie untersuchte damals die Bewegungen von Galaxien mithilfe sogenannter Spektrografen. Dabei fand sie heraus: Wäre die Masse von Galaxien wie die sichtbaren Sterne verteilt, müssten die Umlaufgeschwindigkeiten in den äußeren Bereichen von Spiralgalaxien mit zunehmender Entfernung vom Zentrum abnehmen. Stattdessen bleiben sie jedoch gleichmäßig. Rubin schlussfolgerte, dass in den Galaxien mehr Masse existieren muss, als sichtbar ist.

Stichhaltige Beweise fehlen

Anders erklärt: Rechnet man alle Massen in unserer Galaxie zusammen, so geht die Rechnung nicht auf. Denn die Galaxien rotieren zu schnell, als dass die Schwerkraft der vorhandenen Planeten und Sterne sie zusammenhalten könnte. »Und die Astronomen sagen uns, das, was an Masse fehlt, müsse Dunkle Materie sein«, so Barberio. Natürlich könne es auch etwas anderes sein. Aber: »Wenn wir davon ausgehen, dass die Relativitätstheorie von Albert Einstein korrekt ist, dann gibt es Dunkle Materie und der Großteil des Universums besteht daraus«, sagte die Physikerin.

Doch obwohl die Theorie inzwischen weitestgehend anerkannt ist und Physiker inzwischen seit Jahrzehnten nach dieser Dunklen Materie suchen, fehlt nach wie vor ein stichhaltiger Nachweis, woraus sie bestehen könnte. Weder Teilchenbeschleuniger – etwa der Large Hadron Collider[3] (LHC) am Forschungszentrum Cern bei Genf – noch irgendein Supermikroskop konnten bisher eine Teilchenart nachweisen, die die fehlende Masse liefert.

Tief unter der Erde

Barberio hofft nun auf einen Durchbruch: Sie will der Dunklen Materie mit einem extra dafür entwickelten Detektor auf die Schliche kommen. Dieser besteht aus sieben, rund 40 Zentimeter langen Zylindern mit hochreinen Natriumiodid, dessen Kristalle in Kupferrohre eingekapselt sind. Diese schwimmen in einem mit Benzol gefüllten mit 200 Tonnen Stahl ummantelten Tank. Ein aufwendiger Bau, dessen Fertigstellung etwa zwölf Monate in Anspruch nehmen wird.

Dass der Detektor 1000 Meter unter der Erdoberfläche sitzen muss, hat damit zu tun, dass der Fels darüber zwar Dunkle Materie, aber »keine kosmische Strahlung durchlässt«, so Barberio. Bis auf die nahezu masselosen Neutrinos wird Strahlung aus dem All vom Gestein absorbiert. Wenn man tief genug geht, kann dieses kosmische »Rauschen« auf fast Null reduziert werden. Denn die kosmische Strahlung – hochenergetische Teilchen von außerhalb unseres Sonnensystems, die auf die Erde regnen – könnte das Ergebnis ansonsten verfälschen.

Bananen bleiben draußen

Doch nicht nur der Bau des Detektors ist komplex. Auch um in ihr unterirdisches Labor zu gelangen, müssen die Forscher enormen Aufwand betreiben: Vor ihrer Fahrt in die Tiefe müssen sie in Schutzkleidung schlüpfen, eine Kopflampe und einen Helm aufsetzen und Stiefel mit Stahlkappe, eine Sicherheitsweste und einen Augenschutz anlegen. Per Geländewagen geht es dann durch die Minentunnel bis ins Labor. »Die Fahrt dauert mindestens 25 bis 30 Minuten«, berichtete die Italienierin.

Zu sehen seien nur das künstliche Licht der Abbauarbeiten unter Tage und die Scheinwerfer des Autos und der anderen Lastwagen in der Mine, die Material an die Oberfläche transportieren. Ansonsten sei es »pechschwarz«. Am Labor angekommen muss sich das Team komplett umziehen. »Eventuell werden wir auch duschen müssen, um den Minenstaub völlig zu beseitigen«, meinte die Physikerin. Denn das Labor selbst muss steril bleiben: Schmutz und Staub müssen draußen bleiben – ebenso wie Bananen. Letztere sind wegen ihres hohen Kaliumgehalts leicht radioaktiv und könnten die Arbeit des Detektors stören.

Warten auf ein Blitzen

Ziel ist es, ein theoretisches Teilchen Dunkler Materie zu entdecken, ein sogenanntes Wimp[4]. Wimp steht für »weakly interacting massive particle«, also ein »schwach wechselwirkendes massereiches Teilchen«. Theoretisch sollte beim Zusammenstoß eines solchen Wimps mit gewöhnlicher Materie Energie in Form von Licht frei werden. Kollidiert die Dunkle Materie mit der gewöhnlichen Materie, in diesem Fall mit dem Natriumiodidkristall, so sollte der erwartete Lichtblitz von entsprechenden Detektoren gemessen werden. Damit wäre die Existenz Dunkler Materie bewiesen. Doch der Prozess lässt sich natürlich nicht steuern. Er geschieht zufällig und kann irgendwann oder eben auch gar nicht passieren.

Barberios Experiment ist deswegen auf fünf Jahre angelegt. In diesem Zeitraum hofft sie, erfolgreich zu sein, obwohl sie im Interview eingesteht, dass sie eher »überrascht« wäre, wenn sie tatsächlich auf Dunkle Materie stoßen würde. Denn zahlreiche Forscher aus aller Welt – aus Korea, Japan, Spanien, Deutschland oder Österreich beispielsweise – konnten bei der Jagd nach dem unsichtbaren Stoff bisher keinen Erfolg verbuchen. Auch in deren Experimenten wurden unter anderem Natriumiodidkristalle als Detektoren eingesetzt. Wer auch immer jene Teilchen stichhaltig nachweisen kann, aus denen Dunkle Materie besteht, dem wäre wohl der Physik-Nobelpreis sicher. Denn: »Wir würden damit ein völlig neues Universum eröffnen, das wir erkunden könnten«, meinte Barberio. Sollte das Rätsel gelöst werden, wäre dies ähnlich bedeutend wie die Entdeckung des Higgs-Bosons oder der Gravitationswellen.