Physik-Experiment findet ungewöhnliches Signal – möglicher Hinweis auf Dunkle Materie
«Sollte sich durch weitere Beobachtungen und unabhängige Folgeexperimente bestätigen, dass dieses Ereignis tatsächlich von Dunkler Materie verursacht wurde, wäre dies zweifellos einer der grössten Durchbrüche der modernen Teilchenphysik», sagte der am Experiment beteiligte Forscher der Universität Zürich, Björn Penning, zur Nachrichtenagentur Keystone-SDA.
Die Lux-Zeplin-Forschungskollaboration präsentierte den Fund am Dienstag an einer Fachkonferenz in Japan und in einer Medienmitteilung. «Wir behaupten nicht, Dunkle Materie gesehen zu haben», wird Rick Gaitskell, Sprecher der Kollaboration, in der Mitteilung zitiert. Man habe aber etwas Interessantes gesehen, das man mit der wissenschaftlichen Gemeinschaft teilen wolle.
Eine der grossen Fragen der Physik
Dunkle Materie gehört zu den grössten ungelösten Rätseln der modernen Physik. Woraus sie besteht, ist bis heute unbekannt.
Der überwiegende Teil besteht aus:
• Dunkle Materie: Sie macht etwa 85 Prozent der gesamten Materie und 27 Prozent des Universums aus.
• Dunkle Energie: Daraus bestehen die restlichen 68 Prozent. Dieses nicht minder rätselhafte Phänomen sorgt dafür, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt.
Dunkle Materie und Dunkle Energie werden «dunkel» genannt, weil sie nicht direkt messbar sind. Beide Komponenten leuchten nicht, absorbieren kein Licht und interagieren kaum mit normaler Materie. Man kennt ihre Existenz nur über ihre gravitativen Effekte auf sichtbare Sterne, Galaxien oder die Hintergrundstrahlung.
Dass es sie gibt, dafür sprechen zahlreiche Beobachtungen im Universum. Unter anderem bewegen sich Sterne in Galaxien und Galaxien in Galaxienhaufen anders, als es allein aufgrund der sichtbaren Materie zu erwarten wäre. Forschende gehen deshalb davon aus, dass dort eine zusätzliche, unsichtbare Masse wirkt.
Direkt beobachten lässt sich diese Materie nicht. Genau das macht ihre Suche so schwierig. Experimente wie Lux-Zeplin versuchen deshalb, die seltenen Wechselwirkungen der Dunklen Materie mit normaler Materie aufzuspüren. Geleitet wird das Experiment vom Lawrence Berkeley National Lab des US-amerikanischen Department of Energy.
Detektor tief unter der Erde
Mit dem Lux-Zeplin-Detektor fahnden Forschende nach sogenannten WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Dabei handelt es sich um hypothetische Teilchen, die als mögliche Kandidaten für Dunkle Materie gelten. Der Detektor befindet sich in einem ehemaligen Goldminenstollen rund 1,5 Kilometer unter der Erde in der Sanford Underground Research Facility (Surf) im US-Bundesstaat South Dakota.
Bei der Auswertung von 220 Tagen an Messdaten stiessen die Forschenden nun auf ein Signal, das aus dem Rahmen fiel. «Es handelt sich um ein nukleares Signal, wie es auch von bestimmten Dunkle-Materie-Modellen vorhergesagt wird, dessen Art und Energie sich mit bekannten terrestrischen Prozessen nicht erklären lassen», sagte Penning. Allerdings basiert die Analyse bislang auf nur einem Ereignis. Um dessen Ursprung zu verifizieren und genauer zu verstehen, müssen die Forschenden zunächst weitere ähnliche Ereignisse beobachten.
Kein bekannter Prozess erklärt Signal
Es gab in der Vergangenheit immer wieder Hinweise auf mögliche Dunkle-Materie-Signale. «Innerhalb der Community der direkten Dunkle-Materie-Suche kam dies jedoch nur selten vor», betonte Penning. Die beteiligten Forscher hätten die Dunkle-Materie-Interpretation in allen Fällen letztlich selbst widerlegen können.
Die Signifikanz des aktuellen Ereignisses sei vergleichbar oder höher als bei früheren Kandidaten, so Penning. Das Ergebnis erreichte laut der Mitteilung eine statistische Signifikanz von 2,6 Sigma. Dieser Wert beschreibt vereinfacht gesagt, wie ungewöhnlich das beobachtete Ereignis wäre, wenn tatsächlich nur bekannte Hintergrundprozesse dahintersteckten. Je höher der Sigma-Wert, desto unwahrscheinlicher ist eine solche Zufallsbeobachtung.
In der Teilchenphysik gilt ein Wert von fünf Sigma als Schwelle für eine Entdeckung. Wie wahrscheinlich es ist, dass es sich um Dunkle Materie handelt, kann laut Penning im Moment nicht exakt quantifiziert werden.
«Mit Sicherheit können wir derzeit nur sagen, dass sich das Ereignis durch keinen uns bisher bekannten physikalischen Prozess erklären lässt», so der Physiker. Und weiter: «Wir haben viele Monate damit verbracht, die Daten zu analysieren, zusätzliche Kalibrationsmessungen durchzuführen und alternative Erklärungen systematisch auszuschliessen.» (sda)
