Dunkle Materie gesucht – 1400 Meter tief im Berg

1400 Meter Gestein des Berges Gran Sasso nahe der Stadt L’Aquila in Italien schirmen die empfindlichen Messgeräte etlicher physikalischer Experimente im größten Untergrundlabor der Welt vor kosmischer Strahlung ab. In einer der drei insgesamt 6000 Quadratmeter großen Kavernen wird ab März ein internationales Forschungsteam unter Federführung des Instituts für Hochenergiephysik (HEPHY) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und der Technischen Universität Wien das Experiment COSINUS einrichten (Cryogenic Observatory for SIgnals seen in Next-generation Underground Searches). Dabei geht es um einen möglichen Nachweis von Dunkler Materie.

Hintergrund: Die Theoretische Physik konstatiert fünfmal mehr Dunkle Materie im Universum als sichtbare. Niemand weiß, woraus diese Dunkle Materie besteht. Das Experiment "Dark Matter" (DAMA) im Gran Sasso liefert seit 20 Jahren rätselhafte Ergebnisse, die auf Dunkle Materie hindeuten könnten. Denn die Rate der nicht näher spezifizierten detektierten Teilchen ändert sich mit der Stellung der Erde zur Sonne. Es könnte also "Rückenwind und Gegenwind für Dunkle Materie geben", erklärt Experimentator Florian Reindl vom HEPHY.

Das Herz von COSINUS besteht aus handtellergroßen, supergekühlten (minus 273 Grad Celsius) Natriumiodid-Kristallen mit angeschlossenen Wärme- und Lichtmessgeräten. Installiert werden die Detektoren in einem zylindrischen Wassertank mit sieben Metern Höhe und sieben Metern Durchmesser, um die Messgeräte vor der natürlichen Radioaktivität aus dem Fels abzuschirmen.

"Die gängigen Theorien gehen davon aus, dass Dunkle Materie mit den Atomkernen wechselwirkt, während die meiste gewöhnliche Materie mit der Atomhülle wechselwirkt. Indem man Licht- und Wärmesignale kombiniert, kann man die beiden Ereignisse auseinanderhalten", erklärt Reindl die Besonderheit des neuen Experiments. Gäbe es durch COSINUS Hinweise, dass Dunkle Materie ein Teilchen ist, das mit normaler Materie wechselwirkt, "wäre das schon ein großer Schritt", sagt Reindl bescheiden.

Um den großen Schritt zu tun, müssen winzige Temperaturunterschiede gemessen werden. "Ein Millionstel Grad Kelvin", sagt Reindl.

Es ist ein Schwächling – englisch ein Wimp –, den die Forscher suchen. Die Abkürzung WIMP steht für Weakly Interacting Massive Particles, also schwach wechselwirkende massereiche Teilchen. Sie wären elektrisch nicht geladen, jedoch der Gravitation unterworfen. Ein WIMP hätte eine Masse ähnlich zweier Goldatome und könnte wie ein Neutrino ganze Planeten praktisch ungestört durchfliegen.

Etliche Experimente im Gran Sasso suchen nach WIMPs und damit nach Dunkler Materie, haben aber noch keine Ergebnisse erbracht. Und von der dunklen Energie gibt es auch noch keine Spur.