Besteht die Dunkle Materie im Universum aus elementaren Teilchen?

Die Dunkle Materie im Universum gibt uns eines der größten Rätsel der Astrophysik auf. Sie offenbart sich unter anderem durch die Bewegung von Galaxien. Man beobachtet wie sich Galaxien in Galaxien-Clustern mit höheren Geschwindigkeiten bewegen, als man durch die Gravitationskraft der sichtbaren Materie alleine erwarten würde. Es muß daher im Universum eine unsichtbare Form der Materie oder eine ungewöhnliche Klasse dunkler Objekte geben. Die Suche nach dieser Dunklen Materie stellt eine der gegenwärtig interessantesten Aufgaben der Teilchen- und Astrophysik dar. Es erscheint immer deutlicher, dass die Erklärung für die Natur der Dunklen Materie jenseits des Standardmodells der Physik der elektroschwachen Wechselwirkung zu suchen ist. Dabei werden neue schwach wechselwirkende, massive Elementarteilchen vorhergesagt, aus denen die Dunklen Materie bestehen könnte.

Keine gewöhnliche Materie

Die Massendichte r des Universums wird in Einheiten der kritischen Dichte r_crit angegeben, die notwendig wäre, um in ferner Zukunft die Ausdehnung des Universums umzukehren. Wäre z.B.

so würde das Universum ewig expandieren. Die aus der beobachteten Galaxienbewegung hergeleitete Massendichte W_dyn gibt uns eine untere Grenze für die gesamte Massendichte des Universums. Sie ist

Die Dichte der sichtbaren Materie liegt dagegen lediglich im Bereich

und ist nur ein geringer Bruchteil der Gesamtmasse W_dyn des Universums! Woraus besteht der überwiegende unsichtbare Rest? Die Häufigkeiten der im Urknall produzierten leichten Elemente ⁴He, ³He, D, ⁷Li sind durch die Dichte von Protonen und Neutronen, der sogenannten Baryonendichte W_bar gegeben. Daher kann aus der gemessenen Verteilung der leichten Elemente die gesamte, sichtbare und unsichtbare Baryonendichte bestimmte werden. Sie ist überraschender Weise kleiner als die untere Grenze der Gesamtdichte W_dyn

D.h. der dominierende Anteil der Dunklen Materie besteht nicht aus baryonischer Materie, d.h. nicht aus Protonen und Neutronen! Eine naheliegende Erklärung im Rahmen des Standardmodells könnten Neutrinos liefern. Wenn sie eine Masse haben, könnten sie zur Dunklen Materie beitragen. Würde man aber die gesamte Dunkle Materie mit Neutrinos erklären wollen, so stößt man auf ein Problem bei der Strukturbildung im Universum. Wenn die Dunkle Materie aus Teilchen besteht, so hängt die Strukturbildung im Universum sehr von deren Masse ab. Je leichter die Teilchen, desto schneller bewegen sie sich. Durch Fluktuationen in der Masseverteilung des frühen Universums gebildete Strukturen, würden durch die schnelle Bewegung der Teilchen wieder verwaschen. Um die Bildung der heute beobachteten Strukturen zu ermöglichen, müssen die Teilchen der Dunklen Materie viel langsamer und damit schwerer sein als Neutrinos. Im Standardmodell fehlen uns derartige schwere Teilchen. In Theorien zur Erweiterung des Standardmodells werden aber passende schwach wechselwirkende massive Teilchen (Weakly Interacting Massive Particle: WIMP) vorhergesagt. Das leichteste Teilchen der supersymmetrischen Erweiterung des Standardmodells könnte alle Eigenschaften eines WIMPs aufweisen. Nach solchen Teilchen zu suchen, ist eines der vorrangigen Ziele von bestehenden und zukünftigen Hochenergie-Beschleunigern, sowie neuerdings von Experimenten der Teilchen-Astrophysik.

Experimentelle Suche

Eine Möglichkeit der Suche basiert darauf, dass WIMPs an Atomkernen elastisch streuen können und dabei einen Rückstoß auf die Kerne übertragen. Man muß allerdings die seltenen Streuungen, die nur sehr wenig Energie deponieren, in einem Detektor identifizieren können. Die größte Schwierigkeit der Experimente ist die zu erwartende extrem niedrige Streurate der WIMPs. Ohne entsprechende Vorkehrungen sind Energiedepositionen durch Radioaktivität viel häufiger. Der Detektor darf daher nur mit Materialien umgeben werden, die möglichst wenig Radioaktivität enthalten. Außerdem müssen die Experimente in tiefen Minen oder Tunneln betrieben werden, um die kosmische Höhenstrahlung abzuschirmen. Das weltweit größte Labor für derartige Experimente befindet sich in Italien im Gran Sasso Tunnel. Bedingt durch die Bewegung der Erde um die Sonne sollte sich unsere mittlere Geschwindigkeit relativ zu den WIMPs und damit das zu erwartende Rückstoßspektrum im jahreszeitlichen Rhythmus verändern. Das Experiment DAMA (DArk MAtter search) im Gran Sasso Labor hat in mehrjährigen Messungen mit insgesamt 100kg NaI-Detektoren Hinweise auf passende Schwankungen gefunden. Einige Experimente sind unterwegs, dies zu überprüfen. Die bisher erzielten Grenzen für die Streuraten von WIMPs haben den Bereich, den man nach den Vorhersagen der Supersymmetrie erwarten würde, noch nicht erreicht. Die Streurate könnte bis zu vier oder fünf Größenordnungen kleiner sein. Um WIMPs nachzuweisen, muß uns daher die Natur entweder mit einem hohen Wirkungsquerschnitt entgegenkommen, oder es sind neue Strategien bei der weiteren Reduzierung des Untergrundes notwendig.

Hohe Sensitivität mit neuartigen Detektoren

Mit neuartigen Meßverfahren kann der Untergrund sogar aktiv unterdrückt werden. Dazu werden neuerdings Tieftemperatur-Kalorimeter verwendet. Ausgehend von sehr niedrigen Temperaturen im Bereich von 10mK bis 50mK, wird die von den WIMPs übertragene Rückstoßenergie durch die resultierende Temperaturerhöhung gemessen. Wird dabei gleichzeitig ein Ladungs- oder Lichtsignal gemessen, kann für jedes Einzelereignis die Ionisations- bzw. Szintillations-Effizienz bestimmt werden. Diese ist für WIMP-Streuungen niedriger als für den überwiegenden Teil des Untergrundes. Damit kann der Untergrund erkannt und so um einige Größenordnungen reduziert werden. Auf der Messung der Ionisations-Effizienz basieren das amerikanische Experiment CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) und das französische, im Frejus-Tunnel installierte Experiment EDELWEISS (Experience pour DEtecter Les Wimps En SIte Souterrain). Das unter deutscher Federführung im Gran Sasso Labor installierte Experiment CRESST (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers) nutzt die Messung der Szintillations-Effizienz. Die Leistungsfähigkeit dieser Methoden wurde kürzlich dadurch deutlich, dass EDELWEISS mit einer Messung von nur wenigen Monaten mit einem nur etwa 300 Gramm schweren Germanium-Target in den Bereich der 'DAMA-Evidenz' vorgestoßen ist, wozu zuvor 100kg an Detektor-Material erforderlich waren. Da EDELWEISS keine Signale beobachtet hat, ergibt sich ein Widerspruch zur von DAMA beobachteten Evidenz. Ob die DAMA Evidenz durch etwas anderes als WIMPs hervorgerufen wird ist noch unklar. Mit bestimmten Annahmen über die Eigenschaften von WIMPs und deren Verteilung im Halo der Milchstraße, lassens sich die beiden Messungen noch gemeinsam erklären. Alle der drei genannten Experimente CRESST, EDELWEISS und CDMS arbeiten zur Zeit am Aufbau von bis zu 10kg an Targetmasse in Form von Tieftemperatur-Kalorimetern. Man kann erwarten, dass die Messungen sehr bald den Hinweis auf die Existenz von WIMPs bestätigen oder ausschließen werden.

Zukünftige Experimente

Die zu erwartenden Streuraten für die Elementarteilchen der Dunklen Materie in den Detektoren der Experimente können eventuell nur wenige Ereignisse pro Jahr in 100kg Targetmasse sein. Um in diesen Bereich vorstoßen zu können, ist es zuallererst erforderlich den Untergrund auf sehr hohem Niveau sehr gut kontrollieren zu können. Für die notwendige statistsiche Relevanz der zu treffenden Aussagen werden dabei gleichzeitig sehr großer Targetmassen benötigt. Um ein entsprechendes Großexperiment vorzubereiten, arbeiten die CRESST und EDELWEISS Kollaborationen zusammen. Die Planungen gehen dahin, Tieftemperatur-Kalorimeter in einer europäischen Kollaboration auf Detektormassen bis hin zu 1000kg auszubauen. Damit könnte ein Großteil des von der Supersymmetrie vorhergesagten Bereiches von Wirkungsquerschnitten abgedeckt werden. Wenn WIMPs nachgewiesen und daneben in Hochenergie-Beschleunigern neue Teilchen gefunden werden, könnte der Zusammenhang zwischen der Dunklen Materie und der Teilchentheorie jenseits des Standardmodells definitiv geklärt werden.

Links zu weiterführenden Informationen

Experimente zur direkten Suche nach Dunkler Materie:

Sonstiges

Übersicht über Dunkle Materie

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