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Experimente für die Suche nach Dunkler Materie

Materie zieht Materie an, ein Effekt, den wir im Zusammenhang mit der Erdanziehung kennen. Bereits den 1930er Jahren entdeckte der berühmte Astronom Fritz Zwicky, dass offenbar eine Art „Dunkle Materie“ den Großteil der Materie in Galaxienhaufen ausmacht. Er hatte die Bewegung einzelner Galaxien in Galaxienhaufen untersucht – und festgestellt, 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 erwarten lässt. Also sollte es zusätzlich eine nicht leuchtende, Dunkle Materie geben, die Gravitation ausübt. Nach heutiger Vorstellung umgibt die Dunkle Materie Galaxien wie eine kugelige Wolke. Das gilt auch für unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße.

Die Dunkle Materie war in den letzten Jahrzehnten das einzige Modell, das alle existierenden Beobachtungen konsistent beschreiben konnte: zum Beispiel die inzwischen sehr genauen Beobachtungen der Fluktuationen im kosmischen Mikrowellenhintergrund, auch als Nachhall des Urknalls bekannt.

Weitere Hinweise liefern der Gravitationslinseneffekt, bei dem sich Licht um nicht leuchtende Materie krümmt, und zwar umso stärker je mehr Materie, leuchtende oder dunkle, vorhanden ist. Auch die Beobachtung von speziellen Galaxien-Kollisionen lassen auf die Existenz der Dunklen Materie schließen. So schlüssig und plausibel all diese beobachtbaren Phänomene auch sind: Wir wissen immer noch nicht, woraus die Dunkle Materie besteht.

 

Woran forscht das MPP?

Aus den bisherigen Erkenntnissen leiten sich gut begründete Theorien ab die besagen,

  • dass Dunkle Materie der Schwerkraft unterliegt,
  • dass sie mit der sichtbaren Materie wechselwirkt – wenn auch nur sehr schwach
  • und dass unsere Galaxie, und damit auch wir in unserem Sonnensystem, in einen Halo von Dunkler Materie eingebettet sind.

Wenn die Dunkle Materie existiert, sollte man sie mit geeigneten Messgeräten von der Erde aus beobachten können.

Mit dem CRESST-Experiment wird nach Dunkle-Materie-Teilchen gesucht, die mit Atomkernen normaler, sichtbarer Materie wechselwirken. COSINUS hat das Ziel, die umstrittenen Dunkle-Materie-Signatur eines anderen Experiments zu überprüfen. Die Konzepte und Technologien für beide Experimente wurden (und werden) maßgeblich am Max-Planck-Institut für Physik entwickelt.

Zwei andere Experimente mit MPP-Beteiligung fokussieren sich auf eine völlig unterschiedliche Art von Kandidaten: Diese könnten nicht nur die Dunkle Materie erklären, sondern auch andere offene Fragen im Standardmodell der Teilchenphysik erklären.

Das MADMAX-Experiment wird nach dem Axion suchen. Dieses ist ursprünglich eingeführt worden, um das so genannte CP-Problem der starken Wechselwirkung zu lösen. Das Axion ist aber auch ein Kandidat für die Dunkle Materie.

TRISTAN ist ein neuer Detektor am KATRIN-Experiment, der in einem bereits bestehenden Neutrino-Experiment nach sterilen Neutrinos sucht, die ebenfalls der Stoff für die Dunkle Materie sein könnten. Auch diese Ansätze gehen auf Arbeiten am MPP zurück. Sie werden jetzt zusammen mit Forschungspartnern umgesetzt.