Jagd nach Dunkler Materie bleibt weiterhin erfolglos
Der Lux-Zeplin-Detektor liefert stärkste Hinweise auf seltene Sonnen-Neutrinos – Dunkle Materie bleibt weiter unsichtbar.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben den bisher grössten Datensatz eines Detektors für Dunkle Materie ausgewertet. Dunkle Materie entdeckten sie dabei nicht – dafür erhaschten sie damit einen neuen Blick auf winzige Teilchen aus dem Innern der Sonne.
So wurden im Experiment, an dem auch Schweizer Forschende beteiligt waren, die bisher stärksten Hinweise auf einen seltenen Prozess von sogenannten Neutrinos aus einem Fusionsprozess im Kern der Sonne gemessen. Dieses Resultat des Lux-Zeplin-Experiments wurde am Montag von der Forschungskollaboration veröffentlicht. Teil der Kollaboration ist auch die Universität Zürich (UZH). Geleitet wird das Experiment vom Lawrence Berkeley National Lab des amerikanischen «Department of Energy».
Wie die Forschenden in der Mitteilung betonen, bestätigt das Resultat die ausserordentlich hohe Empfindlichkeit des Detektors. Eine unabhängige Überprüfung der Resultate sowie die Veröffentlichung in einem wissenschaftlichen Fachjournal stehen noch aus.
Das Rätsel der Dunklen Materie
Dunkle Materie gehört zu den grössten ungelösten Fragen der Physik. Sie macht etwa 85 Prozent der Materie im Universum aus und dennoch weiss niemand, woraus sie besteht. Ziemlich sicher sind sich die Forschenden aber, dass sie existiert.Viele Beobachtungen lassen sich sonst nicht erklären: Galaxien etwa halten viel stärker zusammen, als es mit der sichtbaren Materie möglich wäre. Etwas Unsichtbares muss also zusätzliche Schwerkraft ausüben.
Weil Dunkle Materie kein Licht aussendet, absorbiert oder reflektiert, müssen Forschende andere Wege finden, sie sichtbar zu machen.
Erst vor zwei Wochen sorgte ein japanischer Forscher für Schlagzeilen, als er erklärte, Signale von Dunkler Materie beobachtet zu haben. «Ich und die meisten meiner Kollegen denken, dass das leider nicht der grosse Durchbruch war, denn wir uns alle erhofften», sagte der an Lux-Zeplin beteiligte Physiker Björn Penning von der Universität Zürich (UZH) zur Nachrichtenagentur Keystone-SDA. Das Papier stamme von einem einzelnen Autor und beruhe stark auf statistischen Annahmen.
Lux-Zeplin: Detektor tief unter der Erde
Der Lux-Zeplin-Detektor ist ein Instrument, das versucht, Dunkle Materie zu entdecken. Genauer gesagt suchen Forschende damit nach sogenannten «WIMP» (Weakly Interacting Massive Particles), das sind hypothetische Partikel, die als wichtigste Kandidaten für Dunkle Materie gelten. Lux-Zeplin steht in einem ehemaligen Goldminenstollen rund 1,5 Kilometer unter der Erde in der Sanford Underground Research Facility (Surf) in South Dakota, USA.
Der Detektor enthält zehn Tonnen extrem reines, flüssiges Xenon. Trifft ein Teilchen – sei es ein WIMP oder ein Neutrino – auf ein Xenon-Atom, gibt dieses einen winzigen Lichtblitz und Elektronen ab. Diese Signale werden von hochempfindlichen Sensoren registriert. Der Detektor ist aus besonders strahlungsarmen Materialien gebaut und durch mehrere Schichten vor störender kosmischer Strahlung abgeschirmt. Nur so lassen sich die extrem seltenen Wechselwirkungen überhaupt messen.
Rekorddaten liefern neue Erkenntnisse
Die neue Analyse basiert auf Daten aus 417 Betriebstagen zwischen 2023 und 2025, mehr als jemals zuvor in einem solchen Experiment gesammelt wurde. Mit der neuen Analyse erweiterten die Forschenden den Suchbereich für WIMP, indem sie die Grenzwerte für mögliche Messungen solcher Teilchen heruntersetzten.
In diesem grossen Datensatz konnten die Forschenden sogenannte Boron-8-Neutrinos nachweisen, also Neutrinos, die tief im Sonneninneren bei der Kernfusion entstehen. Mit dem Detektor konnten sie die Neutrinos über einen sehr seltenen Prozess beobachten, bei dem ein Neutrino nicht nur ein einzelnes Teilchen im Atomkern trifft, sondern den gesamten Kern gleichzeitig anstösst. Dieser Prozess wurde erst vor wenigen Jahren erstmals nachgewiesen. Durch diesen Zusammenstoss entsteht nur ein winziger Ruck des Kerns. Genau deshalb ist er extrem schwer zu messen.
Die Forschungs-Kollaboration plant bereits die nächsten Schritte. Bis 2028 soll der Detektor mehr als 1000 Tage an Daten sammeln und damit seine Empfindlichkeit weiter steigern.
