Erster Hinweis auf Bestandteil der Dunklen Materie
Seit fast einem Jahrhundert erforscht die Wissenschat Dunkle Materie. Diese unsichtbare Substanz macht etwa 85 Prozent der gesamten Materie im Universum aus. Bisher konnte jedoch noch nie direkt ein Teilchen nachgewiesen werden.
Nun scheint man der Dunklen Materie einen Schritt näher gekommen zu sein: Das internationale LUX-ZEPLIN-Experiment (LZ) hat nun eine Wechselwirkung eines einzelnen Teilchens aufgezeichnet, welches sich durch kein bekanntes Phänomen erklären lässt. «Das Ergebnis erreicht zwar noch nicht die statistische Schwelle, die für die Bekanntgabe einer Entdeckung erforderlich ist, stellt jedoch den bislang überzeugendsten Hinweis auf Dunkle Materie dar», heisst es in der Medienmitteilung des LZ-Konsortiums, die heute verschickt worden ist.
UZH spielt eine Schlüsselrolle
Das LUX-ZEPLIN-Experiment wurde 2012 ins Leben gerufen, um nach Dunkler Materie zu suchen. Daran beteiligt ist auch ein Team um Björn Penning vom Physik-Institut der Universität Zürich. Mit acht Forschenden bildet es eine der grössten Universitätsgruppen innerhalb des LZ-Experiments und übernimmt dort wichtige Aufgaben. Björn Penning hat zudem die sogenannte High-Nuclear-Recoil-Gruppe – aus deren Arbeit das aktuelle Ergebnis hervorgegangen ist – gegründet und zunächst geleitet, bevor die Leitung turnusgemäss an einen anderen Kollegen überging. Heute arbeiten in dieser Gruppe zwei Postdocs und eine Doktorandin der UZH.
Wir haben bei Björn Penning nachgefragt.
Herr Penning, was genau erforschen Sie und Ihr Team an diesem Projekt?
Björn Penning: Unser wissenschaftlicher Beitrag ist weit gefächert. Noch vor meiner Zeit an der UZH habe ich mit meiner Forschungsgruppe den sogenannten «Outer Detector» gebaut. Dieses Detektorsystem filtert Neutronen heraus und erhöht dadurch die Empfindlichkeit des LZ-Experiments für Dunkle Materie nahezu um das Doppelte. Nach meinem Wechsel an die UZH haben wir das System weiter betrieben und unter anderem Experimente zum Betrieb unter Tage sowie zur Kalibrierung und Stabilität des Detektors durchgeführt. Darüber hinaus arbeiten wir an der Rekonstruktion, Modellierung und Auswertung der Daten und tragen so zur Suche nach seltenen Ereignissen bei. Wir haben mit unserer Arbeit über die Jahre mitgeholfen, dass das Teilchen jetzt entdeckt werden konnte.
Wie haben Sie und Ihre Gruppe es überhaupt geschafft, Teil dieses Experiments zu sein?
Björn Penning: Ursprünglich habe ich am CERN und an anderen Teilchenbeschleunigern gearbeitet, insbesondere in den Bereichen der Higgs-Physik und von Dunkler Materie. Ich kam aber zur Überzeugung, dass direkte Suchen nach Dunkler Materie langfristig die vielversprechendere Strategie darstellen. Ich nahm mit dem LZ-Experiment Kontakt auf, bekam einen Ruf aus den USA und entschied mich, die damit einhergehenden Ressourcen inklusive signifikanter Hardware-Beiträge gezielt in das LZ-Experiment zu investieren. So hat alles angefangen.
Warum ist es so wichtig zu wissen, woraus Dunkle Materie besteht?
Björn Penning: Darauf gibt es natürlich nicht nur eine Antwort. Wir wissen heute mit hoher Sicherheit, dass es etwa fünfmal mehr Dunkle Materie als gewöhnliche Materie im Universum gibt. Gleichzeitig verstehen wir bis heute nicht, wie sich diese zusammensetzt.
Es gehört zu dem grundlegendsten Drang der Menschheit, zu verstehen, wie das Universum um uns herum funktioniert, und warum wir existieren. Die Erforschung der Dunklen Materie ist daher heute primär Erkenntnisgewinn. Konkrete praktische Anwendungen gibt es derzeit nicht – abgesehen von technologischen Nebenprodukten wie neuartige Detektortechnologien oder die Ausbildung qualifizierter junger Wissenschaftler:innen. Aber: Als vor 100 Jahren die Quantenmechanik sowie die Relativitätstheorie erfunden wurden, hätte man sich auch nicht vorstellen können, dass ohne diese heute weder unser Handy noch GPS-Anwendungen funktionieren würden.
Was hoffen Sie zu finden und wie geht es weiter?
Björn Penning: Wir hoffen natürlich, dass wir Dunkle Materie entdecken. Mit zunehmender Datenmenge können wir mehr dieser seltenen Ereignisse aufspüren und ihre Natur genauer untersuchen. Das wird aber noch dauern. Zudem arbeiten wir noch an anderen Analysen innerhalb des LZ-Experiments.
Neben diesem Experiment sind wir auch an anderen Dunkle-Materie-Versuchen beteiligt. Wir führen Analysen zu extrem seltenen Kernzerfällen durch und messen Flüsse hochenergetischer kosmischer Teilchen.
