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Wie leicht ist Dunkle Materie? CRESST erobert neue Massebereiche

Dass es Dunkle Materie gibt, gilt als unumstritten – dafür sprechen vielfältige astronomische und kosmologische Beobachtungen. Allerdings ist es bisher keinem Experiment gelungen, den „Baustoff“ dieser Materieart zu finden. Seit vielen Jahren durchsuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedene Massebereiche, in denen sie das Teilchen der Dunklen Materie vermuten. Das CRESST-Experiment hat sich dabei auf besonders leichte Teilchen abgesehen. In einer aktuellen Publikation beschreiben die Physiker ihre Methoden, mit denen sie sich auf die Spur besonders leichter Dunkle-Materie-Teilchen heften.

Eines der Detektormodule im CRESST-Experiment

Eines der Detektormodule im CRESST-Experiment (Foto: A. Eckert/MPP)

Aufbau des CRESST-Experiment: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler installieren die neuen Detektormodule.

Aufbau des CRESST-Experiment: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler installieren die neuen Detektormodule. (Foto: A. Eckert/MPP)

CRESST verwendet Kristalle aus Kalziumwolframat, die auf annähernd -273 Grad abgekühlt werden, also bis fast zum absoluten Nullpunkt. Trifft ein Teilchen der Dunklen Materie auf einen Atomkern im Kristall, steigt dort die Temperatur um etwa 1 Millionstel Grad. Diesen minimalen Unterschied misst ein hochempfindliches Thermometer im Detektor. Außerdem erzeugt die Kollision Lichtblitze, die von einem weiteren Sensor aufgezeichnet werden. Dieses zweite Signal verrät, welche Teilchenart im Spiel war. So lassen sich potenzielle Dunkle-Materie-Ereignisse von nicht relevanten Reaktionen unterscheiden.

„In den vergangenen Jahren haben wir den Versuchsausbau kontinuierlich verbessert“, sagt Federica Petricca, Gruppenleiterin am Max-Planck-Institut für Physik und Sprecherin von CRESST. Damit deckt das CRESST den niedrigsten Massebereich unter den etwa 20 aktuellen Dunkle-Materie-Experimenten ab (*). „In diesem Bereich haben wir gegenwärtig das Monopol: Sollte sich Dunkle Materie als sehr leichtes Teilchen manifestieren, so hat CRESST die größten Chancen, es nachzuweisen“, ergänzt Petricca.

Die neuen Ergebnisse stammen aus dem letzten Messlauf von Mai 2016 bis Februar 2018. Davor waren die CRESST-Detektoren komplett umgerüstet worden. Die neuen Module sind mit 25 Gramm deutlich kleiner als im vorherigen Aufbau, was sie für besonders leichte Teilchen empfindlich macht. Dunkle Materie haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zwar nicht nachgewiesen. „Allerdings hatten wir nur 10 Detektoren im Einsatz“, erklärt Petricca. „Das wird sich ändern: Wir planen den Einbau von 90 weiteren Detektoren – die Arbeiten dafür beginnen im Jahr 2020.“

Warum Dunkle Materie existiert

Materie zieht Materie an, ein Effekt, den wir im Zusammenhang mit der Erdanziehung kennen. Bereits den 1930er Jahren prägte der berühmte Astronom Fritz Zwicky den Begriff „Dunkle Materie“, als er Madie Bewegung einzelner Galaxien in Galaxienhaufen untersuchte – und feststellte, dass offenbar Masse fehlte. Dieser Effekt lässt sich auch bei Spiralgalaxien beobachten. Die Umlaufgeschwindigkeit von Sternen, die weit entfernt vom Mittelpunkt der Galaxie kreisen, ist deutlich höher, als es die sichtbare Masse der Sterne erlaubt. Also muss es eine nicht leuchtende, dunkle Materie geben, die Gravitation ausübt.

Inzwischen wurde die Existenz Dunkle Materie vielfach bestätigt, etwa durch die inzwischen sehr genauen Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, auch als Nachhall des Urknalls bekannt. Weitere Belege liefern der Gravitationslinseneffekt, bei dem sich Licht um nicht leuchtende Materie krümmt, sowie Studien von Galaxien-Kollisionen.

(*) Der Massebereich von CRESST liegt zwischen 0,16 bis 1,8 Gigaelektronenvolt/c2 (GeV/c2), eine in der Physik häufig verwendete Masseeinheit, wobei c für die Lichtgeschwindigkeit steht. Die schwersten Dunkle-Materie-Teilchen (bis zu einigen 100 GeV/c2 ) könnten mit dem XENON-Experiment eingefangen werden. Zum Vergleich: Ein Elektron ist etwa 0,00051 Gigaelektronenvolt/c2 schwer, das entspricht 9,1 x 10–28 Gramm.