Dunkle Materie: Spurensuche im Weltall

Besonders dicht ist die unbekannte Dunkle Materie in Gebieten starker Gravitationskräfte, zum Beispiel in der Nähe gewaltiger Schwarzer Löcher in Zentren von Galaxien oder in großen Sternhaufen. Auch im Zentrum der Erde oder im Zentrum unserer Sonne könnte sie sich angesammelt haben. Die Teilchen der Dunklen Materie wurden kurz nach dem Urknall gebildet. Sollten wir dann nicht in Bereichen großer Konzentration Dunkler Materie die Zerstrahlung dieser Teilchen beobachten können?

Die Dunkle Materie besteht vermutlich aus schweren Teilchen, die von Gravitationskräften gelenkt durch das Weltall fliegen und ansonsten nur sehr schwache Wechselwirkung mit anderen Teilchen besitzen. Kandidaten für solche WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) sind das leichteste supersymmetrische Teilchen oder das leichteste Kaluza-Klein-Teilchen (siehe die Artikel „Die Teilchenverdopplerin: Supersymmetrie“ und „Dunkle Materie: Geheimnisvolle Teilchen im Verborgenen“). Da die Materie im Weltall noch heute, 14 Milliarden Jahre nach dem Urknall, zu etwa 80 Prozent aus Dunkler Materie besteht, müssen diese WIMPs stabil sein. Das erklärt man sich dadurch, dass die neuen Teilchen auch eine neue Eigenschaft, eine sogenannte Parität besitzen, die nicht spurlos verschwinden kann. Wenn dem so ist, müssten die WIMPs beim Urknall immer paarweise entstanden sein.

Zerstrahlende WIMPs

Zerstrahlung zweier WIMPs

Obwohl die WIMPs stabil sind, können sie dennoch verschwinden. Wenn nämlich konzentrierte Energie WIMP-Paare erzeugen kann, dann können umgekehrt auch WIMP-Paare zu Energie zerstrahlen, aus dem dann leichtere Teilchen entstehen, die wir alle aus dem Standardmodell kennen (siehe Artikel „Zutaten für ein Universum“). Dazu müssen sich unsere WIMPs aber extrem nahe kommen, und selbst dann passiert nur selten etwas, da die Kräfte zwischen den WIMPs sehr klein sind.

Aber stellen wir uns einmal ein großes Gravitationszentrum vor, zum Beispiel ein riesiges Schwarzes Loch, wie es häufig im Zentrum von Galaxien vorkommt. Dann müssten sich die WIMPs doch eigentlich im Laufe der Zeit in der Umgebung des Lochs ansammeln, sich also im Durchschnitt viel näher kommen als in anderen Raumgebieten. Obwohl die Kräfte zwischen den WIMPs nur schwach sind, werden bei der großen Zahl umherschwirrender WIMPs hin und wieder auch mal zwei zerstrahlen. Allzuviel kann das an der Gesamtmenge der Dunklen Materie in den letzten 14 Milliarden Jahren natürlich nicht ausgemacht haben, sonst würde das Weltall heute nicht mehr so viel davon enthalten. Aber dennoch könnte es doch sein, dass solche Gravitationszentren sozusagen kleine heiße Flecken im All darstellen, in denen doch eine nennenswerte Menge der geheimnisvollen WIMPs zerstrahlt.

Welche Teilchen können nun aber wiederum bei der WIMP-Zerstrahlung gebildet werden? Das ist erstaunlicherweise ganz leicht zu beantworten. Im Prinzip können zwar alle möglichen Teilchen des Standardmodells erzeugt werden, aber fast alle davon zerfallen selbst wieder in leichtere Teilchen, sodass am Ende nur noch wenige Typen von Teilchen übrig bleiben. Das sind zum einen Photonen und Neutrinos, die einzigen möglichen Produkte, die elektrisch neutral sind. Als elektrisch geladene Teilchen entstehen zum anderen Elektronen und Protonen sowie völlig gleichberechtigt auch die zugehörigen Antimaterie-Teilchen, Positronen und Antiprotonen. Und all diese Teilchen haben eine große Energie, die nur durch das Energieäquivalent der WIMP-Masse nach oben beschränkt wird.

Zeugen aus dem Weltall

Das ist zum Glück alles recht übersichtlich und liefert uns sogar gleich mehrere aufregende Möglichkeiten, den zerstrahlenden WIMPs von der Erde aus sozusagen zuzuschauen. Die neutralen Teilchen werden nämlich im Gegensatz zu den geladenen nicht in den Magnetfeldern abgelenkt, die überall in unserer Galaxie und auch im gesamten Universum existieren, und dabei völlig durcheinandergewirbelt. Wie Lichtstrahlen erreichen sie uns daher auf geradem Weg vom Erzeugungsort, zum Beispiel den kosmischen Gravitationszentren.

Wir können die Gravitationszentren also im Prinzip mit hochenergetischen Photonen und Neutrinos „sehen“, wenn es gelingt, diese Botenteilchen zu detektieren. Die WIMPs verraten sich aber nicht allein durch den Ort des Geschehens, sondern auch über die Energieverteilungen der Photonen und Neutrinos, die im Wesentlichen durch die Masse der WIMPs festgelegt sind.

Die geladenen Teilchen, auf der anderen Seite, werden durch Magnetfelder im Universum abgelenkt und können die Richtungen der Quellen der WIMP-Zerstrahlung nicht offenbaren. Allerdings liefern sie einen anderen spektakulären Fingerabdruck der Dunklen Materie: Positronen und Antiprotonen sind nämlich Antimaterie. Man müsste versuchen, zu messen, ob Antimaterie-Teilchen aus dem Weltall auf die Erde einprasseln und natürlich wie häufig und mit welchen Energien. Außerdem kann Antimaterie direkt am Ort des Geschehens gegen die Materie im interstellaren Raum stoßen und dabei selbst zerstrahlen. Stößt beispielsweise ein Positron gegen ein Elektron, so entstehen zwei Photonen, genauer gesagt Röntgenstrahlen, und zwar mit einer durch die Masse des Elektrons und Positrons exakt festgelegten Energie. Solche Röntgenstrahlen aus dem Weltall sollten wir also ebenfalls versuchen zu detektieren.

Die Astroteilchenphysik auf der Suche nach Dunkler Materie im All

Lichtsensoren eines Neutrinoteleskops

Obwohl die experimentellen Anforderungen hoch sind, haben sich die Elementarteilchenphysiker und Astrophysiker zusammengetan, um alle beschriebenen Fingerabdrücke der zerstrahlenden Dunklen Materie im Weltall zu suchen. Damit ist ein ganz neues Teilgebiet, die Astroteilchenphysik, entstanden, in der die Detektortechnologie der Elementarteilchenphysik ausgenutzt wird, um die Beobachtung hochenergetischer Teilchen aus dem Weltall zu ermöglichen.

Der Nachweis hochenergetischer Neutrinos ist besonders schwierig, da Neutrinos nur schwache Kraftwirkungen mit Materie austauschen. Daher benötigt man riesige, möglichst Kubikkilometer große Detektoren, in denen gelegentlich doch einmal eines der vielen durchlaufenden Neutrinos ein Signal hinterlässt. Aber keine Angst, die Landschaft wird nicht durch riesige Detektorwürfel der Neutrinophysiker verschandelt. Man verwendet vielmehr natürliches Detektionsmaterial wie das Wasser eines tiefen Sees oder Meeres oder auch das Eis der Antarktis, in das eine Matrix von empfindlichen Lichtsensoren versenkt wird (siehe Artikel zu „Neutrinos“). Wenn ein Neutrino zur Wechselwirkung kommt, erzeugt es dabei hochenergetische geladene Teilchen, die im Wasser oder Eis sofort zu charakteristischen bläulichen Lichtblitzen, dem Tscherenkowlicht führen. Dieses wird gemessen und gestattet es, Richtung und Energie des Neutrinos zu rekonstruieren. Zusätzlich werden ständig verbesserte oder preiswertere Nachweismethoden gesucht. So wird derzeit zum Beispiel erforscht, ob man den „Einschlag“ eines Neutrinos nicht vielleicht mit hochempfindlichen Mikrofonen hörbar machen könnte.

Tscherenkow-Teleskope von MAGIC

Hochenergetische Photonen sind sehr viel leichter nachzuweisen als Neutrinos, denn sie spüren die elektromagnetische Kraft und können daher nicht tief in Materie eindringen. Seit langer Zeit ist bekannt, wie man Röntgen-Photonen und die noch energiereicheren Gamma-Photonen nachweisen und vermessen kann. Die dafür notwendigen Instrumente kann man zum Beispiel auf Satelliten anbringen und mit Raketen in die Erdumlaufbahn schießen. Das funktioniert auch ganz gut, allerdings hat diese Methode praktische Grenzen.

Bei zu großen Energien müssten die Detektoren für sinnvolle Messungen nämlich viel zu groß und schwer werden, um in die Umlaufbahn geschossen zu werden. In diesem Fall verwendet man, ähnlich wie im Fall der Neutrinos, ein natürliches Nachweismedium, die Erdatmosphäre. Ein energiereiches Gamma-Photon erzeugt beim Aufprall auf die obere Atmosphäre einen gewaltigen Teilchenregen, der bis tief in die Atmosphäre vordringt, und diese Teilchen senden wieder einen Blitz des bläulichen Tscherenkowlichtes aus. Dieses kann mit Spiegelteleskopen gemessen werden, und wieder erhält man so die Flugrichtung und die Energie des ursprünglichen Gamma-Photons.

INTEGRAL-Satellit

Man kennt inzwischen sehr viele Quellen von Röntgen- und Gammastrahlung im Weltall, bis hin zu Photon-Energien, die etwa hundert Mal größer sind als diejenigen, die wir derzeit an unseren Teilchenbeschleunigern künstlich erzeugen können. Ob diese Strahlung vollständig „gewöhnlichen“ astrophysikalischen Ursprungs ist, oder ob die Dunkle Materie mitspielt, wird derzeit intensiv mit immer besseren Apparaten erforscht. Spannende Anzeichen für Fingerabdrücke der Dunklen Materie gibt es bereits, aber das letzte Wort ist noch nicht gesprochen.

Im Gegensatz dazu hat man bisher noch keine dauerhaft strahlende Neutrinoquelle entdeckt, aber das sollte sich ändern, wenn die neuen Riesendetektoren in Betrieb gehen. Neutrino-Astronomie hat gegenüber der Astronomie mit hochenergetischen Photonen den Vorteil, dass auch Quellen im Innern von Materieansammlungen sichtbar werden. So könnten sich die WIMPs im Innern der Erde oder der Sonne ansammeln und von dort Neutrinos aussenden, die unseren Detektor erreichen, da Erde und Sonne für Neutrinos praktisch „durchsichtig“ sind. Andere bei der WIMP-Zerstrahlung entstehende Teilchen wie Photonen würden sofort absorbiert und könnten unseren Detektor nie erreichen.

Das Alpha-Magnetische Spektrometer an der Raumstation ISS

Die Suche und Messung von Antimaterie-Strahlung aus dem Universum erfolgt ebenfalls mit kompakten Detektoren für Elementarteilchen, die entweder mit Ballons in große Höhen gebracht oder mit Raketen in die Erdumlaufbahn geschossen werden (siehe Artikel „Antimaterie im Universum“). Diese Detektoren weisen Teilchen und Antiteilchen beim Durchgang direkt nach und bestimmen ihren Typ und ihre Ladung. Auch hier gibt es bereits eine Reihe interessanter Beobachtungen, die mit der WIMP-Zerstrahlung zusammenhängen könnten. Jedoch muss man vorsichtig sein, da auch ganz „gewöhnliche“ Quellen von Antimaterie im Weltall existieren. So ist unsere Galaxie durchsetzt mit einer sehr energiereichen Strahlung aus Protonen und Atomkernen, der so genannten kosmischen Strahlung. Wenn ein solches kosmisches Strahlungsteilchen auf einen Atomkern im interstellaren Medium trifft, wird sehr viel Energie frei, die in Form neuer Teilchen und Antiteilchen materialisiert.

Schon jetzt gibt es also viele Indizien, die den Fingerabdrücken der Dunklen Materie verdächtig ähneln. Die Aussichten, die Dunkle Materie mit den verbesserten Instrumenten der nächsten Generation endgültig zu überführen, sind ausgezeichnet.