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Der Tunnel mit Bauelementen der Hadron-Elektron-Ring-Anlage (Hera) auf dem Desy-Gelände in Hamburg

Der Tunnel mit Bauelementen der Hadron-Elektron-Ring-Anlage (Hera) auf dem Desy-Gelände in Hamburg
© dpa

Physik

Dem Geheimnis der dunklen Materie auf der Spur

Marsmännchen, Zeitmaschinen, Raumschiffe: Das All beflügelt die Fantasie seit Menschengedenken. Aber Physiker kennen bislang die Beschaffenheit von nur fünf Prozent des Universums. Dem Rest, dunkler Materie und dunkler Energie, sind sie jetzt auf der Spur.

Genf. Was ist das: es macht 95 Prozent des Universums aus, aber niemand weiss, wie es beschaffen ist? Physiker sprechen von dunkler Materie und dunkler Energie. Das Rätsel soll am europäischen Kernforschungszentrum (Cern) in Genf gelöst werden. Dort hofft man auf eine bahnbrechende Entdeckung. Am 31. Oktober zelebrieren Physiker erstmals den „Tag der dunklen Materie“, um über die Jagd auf das Unbekannte zu informieren. Am Forschungszentrum für Teilchenphysik der Helmholtz-Gemeinschaft (Desy) in Hamburg gibt es etwa eine Ausstellung und Vorträge.

Was ist dunkle Materie?

Physiker wissen nur, dass es im Universum etwas gibt, das Einfluss auf die Ausbreitung von Lichtstrahlen und die Rotation von Galaxien hat. Es macht etwa 27 Prozent des Energiegehalts des Universums aus. Dann gibt es noch 68 Prozent dunkle Energie. Der winzige Rest, fünf Prozent, ist Materie mit den bekannten Elementarteilchen. Daraus bestehen Sterne, Planeten, Galaxien, Gase - und auch die Menschen.

Woher weiß man dann, dass dunkle Materie existiert?

Weil sich vieles, was im Universum beobachtet wird, mit dem Einfluss der bekannten Materie nicht erklären lässt. Zum Beispiel Licht: wenn es an Galaxien vorbeifliegt, wird es stärker abgelenkt als durch gängige Erklärmodelle erwartet. Es gibt also etwas, das das Licht anzieht. Auch bewegen sich Sterne teils so schnell, dass sie nach gängigen Theorien aus ihren Galaxien geschleudert werden müssten. Werden sie aber nicht. „Sie werden von irgendetwas festgehalten“, sagt Rolf Landua, Physiker am Cern.

Man kann diese Materie aber nicht sehen?

Genau. Es könnte sich beispielsweise um eine völlig neue Art von Teilchen handeln, die beim Urknall, in der ersten Nanosekunde des Universums entstanden und stabil und elektrisch neutral sind.

Wie sucht man danach?

Die Physiker am Cern reproduzieren mit dem Teilchenbeschleuniger „Large Hadron Collider“ (LHC) ähnliche Bedingungen wie kurz nach dem Urknall. Der Beschleuniger liegt in einem 27 Kilometer langen ringförmigen Tunnel 100 Meter unter der Erde. Darin werden zwei Protonenstrahlen in entgegengesetzter Richtung mit fast Lichtgeschwindigkeit aufeinander geschossen.

Was passiert dabei?

Wenn Protonen kollidieren, wird die Kollisionsenergie freigesetzt. „Eine einzelne Kollision zwischen zwei Protonen setzt nur etwa so viel Energie frei wie eine Mücke, die gegen eine Hand fliegt“, sagt Landua. Bedenkt man aber, dass eine Mücke 1 000 000 000 000, also eine Billion mal größer ist als ein Proton, ist die Energiedichte der Kollision gewaltig. Diese Energie wird in Materie umgewandelt, und da könnten unbekannte Teilchen dabei sein, hoffen die Physiker.

Wie kann man etwas finden, das man nicht sehen kann?

Die Energie, die insgesamt in die Protonen-Kollision hineingesteckt wird, muss genau derjenigen entsprechen, die entsteht. Dies lässt sich messen. Wenn alle bekannten Teilchen bemessen sind und dann immer noch Energie fehlt, deutet das auf ein „unsichtbares“ Teilchen hin, das sich unbemerkt aus dem Detektor geschlichen hat. So kann man indirekt auf die Eigenschaften des unsichtbaren Teilchens schließen. „Es ist forensische Analyse, wie bei Sherlock Holmes“, sagt Landua.

Warum ist die Forschung wichtig?

Die dunkle Materie ist ein Schlüssel zum Verstehen der Entstehung und Entwicklung des Universums. „Die dunkle Materie hat vermutlich eine Art von 'kosmischem Netz' gebildet, wie ein Gerüst, in dem sich dann Sterne, Galaxien und alles andere entwickelt hat“, sagt Landua. Die Entdeckung wäre „eine wissenschaftliche Sensation– vergleichbar mit der Entdeckung eines neuen Kontinents“, so das Desy in Hamburg.

Gibt es nicht auch Kritiker der Forschung?

Wenige, die aber furchtbare Szenarien beschreiben, etwa, dass bei Teilchenkollisionen am Cern schwarze Löcher entstehen, die die ganze Erde verschlucken. Cern-Physiker tun dies als völlig abwegig ab. „Wenn überhaupt, hätten diese 'Mikro-schwarzen-Löcher' keine Ähnlichkeit mit ihren kosmischen Verwandten - sie hätten weniger Anziehungskraft als ein billionstel eines Staubkorns und würden in Bruchteilen von Nanosekunden zerfallen“, sagt Landua.

Gibt es dunkle Materie auch bei uns?

Natürlich, sie ist überall, auch in jedem Zimmer. Die Menge ist allerdings winzig und entspricht ungefähr der Masse eines einzelnen Protons pro Kubikmeter. „Dunkle Materie spielt in unserem täglichen Leben keine Rolle“, sagt Landua. „Sie ist sehr dünn gesät.“

Warum gerade der 31. Oktober?

Teilchenphysiker im Netzwerk interactions.org haben den Tag der dunklen Materie auf Ende Oktober gelegt, wenn in vielen Ländern der Welt bei Festen wie etwa Halloween das „Dunkle“, also Geister, Unheimliches und Übernatürliches zelebriert wird.

Von  Christiane Oelrich, dpa/RND


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