CDMS – Der erste Nachweis Dunkler Materie?

18. Dezember 2009 von Jan Hattenbach in Astronomie allgemein

Das Rumoren im Vorfeld war bemerkenswert, die Gerüchteküche brodelte: Hat das Untergrundexperiment CDMS II den ersten direkten Nachweis der Dunklen Materie geschafft? Gestern abend war es dann soweit: In parallelen Vorträgen veröffentlichten Wissenschaftler in den USA ihre neuesten Ergebnisse, und die sind wirklich bemerkenswert. Aber sind sie auch der erhoffte historische Durchbruch?

Wer es eilig hat, der möge auf den letzten Abschnitt scrollen. Aber zuerst mal der Reihe nach: Worum geht es eigentlich? Und was genau macht CDMS?

Dunkle Materie - Wie man sieht, was man nicht sieht

Dass die mysteriöse Dunkle Materie existiert, unser Universum dominiert, und die sichtbare Materie in ihrer Zahl weit übertrifft, wird kaum noch bestritten. Zahlreiche astronomische Beobachtungen belegten dies immer wieder aufs Neue. Die Dunkle Materie ist offenbar ein Stoff, der elektromagnetische Wellen (und damit auch Licht) weder emittiert noch absorbiert. Sie ist damit im besten Sinne unsichtbar. Die fehlende Wechselwirkung mit elektromagnetischen Wellen bedeutet perfekte Tarnung - kein Teleskop, egal bei welcher Wellenlänge, kann Dunkle Materie direkt aufspüren.

Und dennoch sind die Astronomen der Dunklen Materie schon lange auf der Spur. Denn sie verrät sich doch - über ihre Schwerkraft. Dunkle Materie besitzt Masse, so wie die normale Materie auch. Damit kann sie die Bewegung von Sternen, Gaswolken und ganzer Galaxien beeinflussen - messbar beeinflussen. So beobachtet man seit Mitte des 20. Jahrhunderts, dass sich Spiralgalaxien zu schnell drehen und Galaxien untereinander zu schnell bewegen, würde einzig die sichtbare Materie ihre gegenseitige Anziehung verursachen. Die Schlussfolgerung: Dunkle Materie. Sie ist überall vorhanden, in Sternen, Galaxien und im Raum dazwischen. Vermutlich durchquert sie gerade unser Sonnnensystem, die Erde und jeden einzelnen von uns. Sie formt jedoch keine Sterne, Planeten oder ähnliche Objekte - statt dessen versammelt sie sich in riesigen "Klumpen", jeder mehrere Mal so groß wie unser Sonnensystem. Die Materie in einem solchen Klumpen ist allerdings so dünn verteilt, dass wir ihn nicht bemerken würden, selbst wenn wir mitten hindurchfliegen - jedenfalls fast nichts. 

Der Stoff, der die Welt formt

Die Dunkle Materie ist mehr als eine astronomische Kuriosität. Die Kosmologen glauben, dass es ohne ihre Wirkung kein Universum geben würde, wie wir es heute sehen: keine Galaxien, und auch keine Menschen. Die Massenanziehung der normalen Materie hätte nämlich nicht ausgereicht, um in den dreizehneinhalb Milliarden Jahren, in denen das Universum existiert, diese Strukturen zusammenzuballen. Nur mit Hilfe die Dunkle Materie können wir also überhaupt verstehen, wieso das Weltall heute ist, wie es ist. Dreizehn Milliarden Jahre mögen zwar unvorstellbar lang sein, aber man bedenke, dass unser Sonnensystem selbst schon runde fünf Milliarden Jahre alt ist - das ist mehr als ein Drittel des Alters des gesamten Kosmos!

Aber was genau ist diese Dunkle Materie? Sie bestimmt die Entwicklung des Universums, ist überall vorhanden - doch wir wissen von ihr nicht viel mehr, als dass sie existiert. Keine sehr befriedigende Vorstellung.

Von der Theorie...

Teilchenphysiker sind davon überzeugt, dass die Dunkle Materie aus Teilchen besteht. Ähnlich wie Atomkerne - allerdings sehr viel schwerer. Wie schwer genau, ist bislang nicht geklärt, aber vermutlich bringt ein solches "WIMP" mehr auf die Waage als einhundert Atomkerne des Wasserstoffs. Der Ausdruck WIMP ist so etwas wie der Arbeitstitel, den die Physiker diesen bislang rein hypothetischenTeilchen gegeben haben. Er bedeutet Weakly Interacting Massive Particle, zu deutsch: Massives, schwach wechselwirkendes Teilchen. Nicht sehr präzise - doch was genau so ein WIMP sein soll, dass versuchen verschiedene teilchenphysikalische Theorien zu erklären. Die bekannsteste ist vielleicht die Theorie der Supersymmetrie. Ihr zufolge wäre das WIMP ein neues, bisher unentdecktes Teilchen, das so genannte Neutralino.

Theoretiker können viele Erklärungen für das Rätsel der Dunklen Materie anbieten, jede Einzelne in sich schlüssig und überzeugend. Der Crashtest dieser Theorien aber ist die Realität. Doch haben wir überhaupt eine Chance, diese unsichtbaren Geisterteilchen jemals zu entdecken?

Ja - haben wir. Die Antwort liegt schon im Namen WIMP verborgen: weakly interacting, schwach wechselwirkend heißt ja keineswegs nicht wechselwirkend. Die Wechselwirkung über die Gravitation ist schon lange bekannt. Wäre dies aber, wie angedeutet, wirklich die einzige Form der Wechselwirkung, dann hätten wir tatsächlich keine Chance: Die Schwerkraft eines einzelnen, isolierten Teilchens wäre viel zu schwach. Glücklicherweise gibt es einen Ausweg: Neben der Gravitation und der elektromagnetischen Kraft (über die ein WIMP definitionsgemäß nicht wechselwirkt, sonst wäre es ja sichtbar) gibt es in der Natur noch die starke Kernkraft (die Kraft, die die Atome zusammenhält) und die so genannte schwache Kraft. Und über letztere sollte auch ein WIMP verfügen - und so mit Atomkernen "schwach" wechselwirken können. ("Schwach" bezeichnet hier also die Art der Wechselwirkung, nicht deren Stärke.) Wenn sich die Erde mitsamt der Sonne in der Galaxie bewegt, dann sollte sie die Dunkle Materie-Klumpen durchkreuzen und die WIMPS könnten sehr wohl in Kontakt mit der normalen Materie treten und sich so verraten.

...zum Experiment

Damit wäre es möglich, ein WIMP experimentell nachzuweisen. Nehmen wir beispielsweise einen Germaniumkristall, und kühlen ihn fast bis auf den absoluten Nullpunkt, also auf -273°C. Ein WIMP, dass in diesen Kristall eindringt, könnte mit einem Atomkern des Kristallverbunds zusammenstoßen und diesen zu winzigen Schwingungen anregen. Die Schwingungen würden eine minimale Temperaturerhöhung im Kristall verursachen. Die extreme Kühlung des Kristalls ist dabei essentiell: Bei Raumtemperatur wären die thermischen Schwingungen der Atome um ein Vielfaches größer, so dass sie die winzigen WIMP-Signale völlig überdecken würden. 

Eine solche Messung gehört zu den schwierigsten Unternehmungen, die Wissenschaftler zu Beginn des 21. Jahrhunderts versuchen. Und dennoch scheint sie geglückt zu sein: Am 17. Dezember 2009 veröffentlichte die CDMS II-Kollaboration die Beobachtung von zwei möglichen WIMP-Stoßereignissen. Seit heute ist ein entsprechender Artikel im arXiv online verfügbar.

CDMS II (Cryogenic Dark Matter Search) ist ein Experiment der beschriebenen Art: Es befindet sich in der stillgelegten Soudan-Mine im US-Bundesstaat Minnesota, rund 800 Meter unter der Erde. Seit 2003 versuchen die Wissenschaftler hier, mit Hilfe ihres aus fünf Kilogramm Germanium und Silizium bestehenden Detektors WIMPs nachzuweisen. Die jetzt gefundenen Ereignisse stammen aus einem Datensatz, der in einem langen Zeitraum zwischen 2007 und 2008 aufgenommen wurde. Nicht sehr viel für eine mehrmonatige Messung, doch man muss bedenken, wie selten solche Stöße sind: Pro Kilogramm Detektormaterial muss man im Schnitt 100 Tage warten, bevor es zu einem WIMP-Ereignis kommt. Dummerweise taucht ein weiteres Problem auf - der so genannte Untergrund.

Der Untergrund ist das, was einem experimentellen Teilchenphysiker das meiste Kopfzerbrechen bereitet: Woher weiss er überhaupt, dass ein bestimmtes Stoßereignis in seinem Kristall von einem WIMP stammt, und nicht von einem anderen Teilchen der kosmischen Strahlung? Oder von einem Neutron, ausgelöst durch die allgegenwärtige natürliche Radioaktivität - viel häufiger im Übrigen, als ein WIMP-Ereignis? Die meiste Arbeit wird deswegen in die Reduktion des Untergrunds gesteckt. Der Detektor muss vor der kosmischen Strahlung abgeschirmt werden (deshalb befindet er sich unter der Erde) und vor der radioaktiven Strahlung (mit Hilfe schwerer Bleiabschirmungen). Dennoch ist statistisch davon auszugehen, dass mindestens eines der beiden Ereignisse auf diesen störenden Untergrund zurückzuführen ist - vielleicht aber auch beide. 

If it's not Dark, it doesn't Matter

So kommt es, dass die Wissenschaftler auch noch nicht von einer ausgewachsenen Entdeckung sprechen wollen. Die Chance, dass beide Ereignisse auf Neutronen des radioaktiven Untergrunds zurückzuführen sind, wird auf immerhin 25 % geschätzt. Das ist eine Chance von 3:1 für die WIMPs, aber immer noch zu viel, um von einem gesicherten Nachweis zu sprechen. Dazu hätten, nach den Regeln der Statistik, mindestens fünf Ereignisse bei einem erwarteten Untergrundereignis gefunden werden müssen. Doch die beiden Ereignisse sind die ersten ihrer Art - und damit ein sehr starker Hinweis darauf, dass die Wissenschaft auf dem richtigen Weg ist. Die Tatsache, dass diese extrem komplizierte Messung gelungen ist, darf schon als technologischer Durchbruch gewertet werden. Mit den jetzt geplanten Verbesserungen wird CDMS II bald in der Lage sein, auch einen physikalischen Durchbruch zu erzielen: Mehr Detektormasse ermöglicht mehr Stoßvorgänge in der gleichen Zeit, und damit eine verbesserte Statistik. Und die Konkurrenz schläft nicht - auch in Europa und weltweit wird am direkten Nachweis der Dunklen Materie geforscht. Sollte jemand eine Wette eingehen wollen, dass dies in den nächsten fünf Jahren gelingt - ich würde mein Geld nicht dagegen setzen! 


14 Kommentare zu “CDMS – Der erste Nachweis Dunkler Materie?”

  1. Zornworm Antworten | Permalink

    Im Dunkeln ist gut Munkeln

    Dunkle Materie und dunkle Energie

    Das erinnert mich fatal an die Hirngespinste mittelalterlicher Scholastiker. Gottesbeweise. Wieviele Engel können auf einer Nadelspitze tanzen.

    Genauso wie die "Strings" gibt es sowas nicht. Der Weltraum besteht aus langweiliger normaler Materie. Vielleicht sollten die Mittel der Wissenschaft dazu verwandt werden, diese aufzuspüren, sei es in Form massenhaft vorhandenen Staubes, Kometen etc. Vielleicht gibt es auch viel mehr Neutronensterne und schwarze Löcher.

    BTW: Keine einzige Theorie von Stephen Hawkings wurde jemals belegt. Und nun klammert man sich an den dunklen Hokuspokus. Die Physik ist zur Scharlatanerie geworden, wie die Kunst. Die Klee's und Beuys's geben den Ton an und beanspruchen die Deutungshoheit. Lächerlich.

  2. Jan Hattenbach Antworten | Permalink

    @Zornwurm

    Also, dass es irgendeine weitere Form von unsichtbarer, aber gravitativ wechselwirkender Materie gibt, bezweifelt unter den Astronomen und Kosmologen eigentlich kaum noch jemand. Die Beobachtungen weisen nicht erst seit gestern, sondern schon seit mehr als einem halben Jahrhundert in diese Richtung. Ein Hirngespinst ist die DM daher sicher nicht.

    Natürlich wurde versucht, diese Beobachtungen mit bislang nicht entdeckter, "normaler" Materie zu erklären. Ohne Erfolg. Jeder der Versuche, die DM durch Staub, Neutronensterne, Schwarze Löcher zu erklären, führte zu der Erkenntnis, dass diese baryonische Materie eben ganz entschieden nicht ausreicht. Auch eine Modifikation der Gravitationstheorie wurde und wird ins Feld geführt. Auch dafür gibt es bislang keine Hinweise.

    Wenn man das Konzept der DM ganz ablehnt, dann muss man eine andere Erklärung für die astronomischen Beobachtungen und v.a. für die Galaxienentwicklung im Universum anbieten.

    Dass da irgendetwas ist, dass wir noch nicht kennen, kann man allerdings nur in Ignoranz aller dieser Hinweise bestreiten. Das wäre nicht sehr wissenschaftlich. Was dieses etwas ist, darüber kann man trefflich streiten. Die Theorie, dass die DM aus WIMPS, also Teilchen besteht, ist ja bisher nur eine Hypothese. Aber immerhin der "best guess" zur Zeit. Was genau diese WIMPs sind, weiss bisher auch noch niemand.

    Übrigens: die DM ist keine Theorie von Stephen Hawking.

  3. test2012@web.de Antworten | Permalink

    Ich wette !

    ich wette um 100€ das es in den nächsten 5 Jahren nicht gelingt dunkle Materie nachzuweisen.
    Das Zeug ist viel zu dunkel - einfach einmal mehr oder auch weniger dorthin anzunehmen wo es gerade gebraucht wird um gängige Theorien aufrecht zu halten überzeugt mich nicht.
    Ich wette mit bis zu 3 Leuten gegen den Nachweis innerhalb der nächsten 5 Jahre! Auf 5 Jahre beschränkt, damit ich das Geld auch bald ausgeben kann.

  4. Michael Khan Antworten | Permalink

    Wetten?

    Großspurig auftreten und Wetten anbieten ist schön und gut. Aber wer wettet denn mit einem Pseudonym?

    Wissenschaft funktioniert nicht so, dass man darüber abstimmen und sich einigen kann. Es ist der Natur auch recht egal, was man für ein Gefühl ihr gegenüber hat. Sie ist, wie sie ist.

  5. Harald Lichter Antworten | Permalink

    Na diese Veröffentlichung auf arXiv kommt mir auch nicht seriös vor. Nach 6 Jahren Suche nur mit Möglichkeiten und eventuellen Hinweisen an die Öffentlichkeit zu gehen kommt mir vor als ob die Angst haben, dass die Entdeckung von DM jetzt am Cern gemacht wird und ihre 6 Jahre lange erfolglose Suche nicht gewürdigt wird. Ausserdem soll das Experiment ja noch vergrößert werden - dafür braucht man ja auch Aufmerksamkeit und dann das Geld.

  6. Jan Hattenbach Antworten | Permalink

    Dunkle Materie

    Am LHC wird es vielleicht gelingen, supersymmetrische Teilchen zu entdecken, oder irgendetwas anderes exotisches. Vielleicht auch nicht. Abwarten!

    Aber selbst, wenn das gelänge: Wäre das denn schon der Beweis, dass diese exotischen Teilchen die DM sind? Nein. Dazu müsste ihre Existenz auch in der Natur nachgewiesen werden, und genau das versuchen CDMS und andere Experimente. Letzlich wird man nur mit dem LHC auf der einen, CDMS und weiteren direkten Nachweismethoden auf der anderen, und schließlich mit indirekten Methoden (Pamels, Fermi, AMS,...) auf der dritten Seite eine wirklich zufriedenstellende Erklärung bekommen. Vielleicht aber auch nicht, abwarten :-)

    Klar, kostet das Geld, und natürlich möchte jede Forschergruppe die erste sein. Wo ist da ein Problem?

    Das ist jedenfalls keine Scharlatanerie, that's science in progress.

  7. Jan Hattenbach Antworten | Permalink

    Wetten?

    Hallo test2012@web.de,

    über eine Wette sprechen wir nochmal, wenn du einen Namen hast, ok?

  8. Wolfgang Nowak Antworten | Permalink

    Dunkle Materie, dunkle Energie? Faszinierende Ansätze, die menschliche Phantasie anzuregen. Aber sind das nicht alles nur Gehhilfen, die die gegenwärtig gängige Urknall-Theorie künstlich am Leben halten sollen? Nur weil Edwin Hubble und seine Jünger aus der Beobachtung eines sich ausdehnenden Universums darauf schließen, dass alles von einem einzigen Zentrum ausgegangen sein muß, halten wir stur an dieser Theorie fest. Schon die alten Griechen haben erkannt: "Es ist leichter sich aus dem Kerker eines Tyrannen zu befreien, als aus den Fesseln einer Idee" Nur weil der Mensch, die Dornenkrone der Schöpfung, es nicht anders kennt, muss alles einen Anfang und ein Ende haben. Was aber, wenn das Universum nie einen Anfang hatte, also schon immer da war, und darin nur die Wirkungen der Naturgesetze stattfinden? Für Gravitation, Energieerhaltung usw. benötigt man keine Krücken wie Inflationstheorie u.ä. Natürlich macht es Spaß, einen Weg zu erforschen, wie man ausgehend von einem postulierten Anfang zu einer Situation kommt, wie wir sie heute vorfinden, oder besser glauben, dass es so ist. Warum hängen wir alle wie die Lemmige an etwas, was zweifellos große Geister uns vorgedacht haben? Wer aber von einer falschen Basis ausgeht, kommt auch durch noch so richtige Vorgehensweise nicht zum richtigen Ergebnis.
    Der Mensch hat auch schon einmal geglaubt, die Erde sei eine Scheibe und wurde durch Augenschein widerlegt. Nur hat man beim Universum wohl nie die Möglichkeit, sich vor Ort zu überzeugen.
    Meiner Meinung nach ist es höchste Zeit für neue Denkansätze.

  9. Jan Hattenbach Antworten | Permalink

    @Wolfgang Nowak

    Mir fällt auf, dass Kritiker immer wieder religiöse Vergleiche und Begriffe bemühen, wenn sie die Arbeit der Wissenschaftler beurteilen, die sich mit dem Problem der Dumklen Materie und Dunklen Energie beschäftigen. Als jemand, der selbst einige Jahre in diesem Feld gearbeitet hat, kann ich nicht bestätigen, dass diese Leute "religiöse Fanatiker" sind, die wie "Jünger" ihren "Vorbetern" folgen und keine Alternativen zu ihrer "Glaubensrichtung" zulassen. Ich habe eher Leute kennengelernt, die gewissenhaft an ihren Theorien arbeiten und an der experimentellen Überprüfung derselben, und die durchaus bereit sind, diese Theorien aufzugeben, wenn die Beobachtungen in der Natur das verlangen.

    Eines darf nicht übersehen werden: Die Natur ist die Richterin über jede naturwissenschaftliche Theorie. Crashtest ist und bleibt die Beobachtung. Stimmt eine Theorie nicht mit der Beobachtung in der Natur überein, dann ist sie aufzugeben oder zumindest geeignet zu modifizieren. Um das noch mal zu betonen: Die Theorie und nicht die Natur!

    Alterlative Erklärungsansätze zur DM und DE (die man nicht in einen Topf werfen sollte, auch wenn sie häufig gemeinsam genannt werden) gibt es, und sie werden bzw. wurden ernsthaft diskutiert: Zur DM sei die MOND-Theorie genannt (http://de.wikipedia.org/...erte_Newtonsche_Dynamik). Diese kann gewisse Beobachtungen aus dem Bereich der Spiralgalaxien ohne DM erklären, widerspricht aber anderen Beobachtungen. Zum Thema DE gab es im August 2009 einen interessanten Artikel in der Spektrum der Wissenschaft (http://www.spektrum.de/artikel/999549) Der Artikel ist kostenpflichtig, der eine Euro ist aber gut angelegt.

    Der Vorwurf, die Wissenschaftler würden sich dogmatisch auf diese eine Theorie fixieren und Alternativen außer Acht lassen ist unfair und falsch. Ein um DM und DE erweitertes Standardmodell (sog. Lambda-CDMS-Modell) würde die bisherigen astronomischen Beobachtungen UND teilchenphysikalische Probleme gleichermaßen elegant lösen. Ist es da ein Wunder, oder gar vorwerfbar, dass intensiv daran geforscht wird?

  10. Jan Hattenbach Antworten | Permalink

    @Wolfgang Nowak, Nachtrag

    Noch ein Nachtrag: Im Text sprach ich von den zahlreichen beobachterischen Hinweise, die für die Existenz der Dunklen Materie sprechen. Als Beispiele dafür nannte ich die Umlaufgeschwindigkeiten der Sterne in Spiralgalaxien oder die Bewegung der Galaxien untereinander in den Galaxienhaufen. Der bislang überzeugendste Hinweis auf die Existenz der DM ist dieser hier:

    http://de.wikipedia.org/wiki/1E_0657-558

    Der Bullet-Cluster lässt sich nicht mehr mit einer Modifikation der Gravitationstheorie (wie etwa MOND) verstehen, wohl aber mit der Existenz von dunkler, nichtbaryonischer Materie.

    Natürlich darf man die Existenz dieser nichtbaryonischen Materie in Zweifel ziehen, allerdings ist diese die bisher beste Idee bei der Erklärung von Phänomenen wie dem Bullet-Cluster. Haben Sie eine andere Idee? Haben Sie einen neuen Denkansatz, der diese Beobachtungen erklärt?

  11. Michael Khan Antworten | Permalink

    @Jan

    Ich halte es für einen Fehler, dem wortgewaltigen Kommentar zuviel Bedeutung beizumessen. Der war nämlich alles andere als sachlich, auch wenn du sachlich und fundiert geantwortet hast. Hinter den ganzen religiösen und pseudophilosphischen Worthülsen steckte nicht ein greifbares Argument.

  12. Harald Lichter Antworten | Permalink

    Der Bullet-Cluster lässt sich auch mit einer Modifikation der Gravitationstheorie (wie etwa zum Beispiel der MOG Theorie /Scalar-Tensor-Vektor Gravitation) verstehen, ist also absolut kein K.O. Kriterium für alternative Theorien, geschweige denn ein Beweis für WIMPs.
    http://en.wikipedia.org/...%E2%80%93vector_gravity

    Die MOND Theorie schliesst übrigens das Vorhandensein von unsichtbarer Masse gar nicht aus, im Gegenteil reicht die berechnete Gravitation in einigen Fällen gar nicht aus, um ohne zusätzliche Masse das beobachtete Gravitationverhalten zu erklären.

    Bei manchen Kommentaren höre ich doch eine gewisse Arroganz heraus - als ob wir das Universum schon zum grossen Teil verstanden hätten. Ich denke das man in 100 Jahren auch über unsere heutigen Vorstellungen lachen wird, ebenso wie über die Vorstellung der Erde als Scheibe vor nicht allzu langer Zeit.

  13. Jan Hattenbach Antworten | Permalink

    @Harald Lichter

    "Bei manchen Kommentaren höre ich doch eine gewisse Arroganz heraus" - Da geht es mir genauso wie Ihnen :-)

  14. Michael Khan Antworten | Permalink

    Vielleicht kann man den heutigen Stand mit der Zeit vor etwa 100 Jahren vergleichen.

    Die Physik des 19. Jahrhunderts hatte ein umfassendes Weltbild, basierend auf der Gültigkeit der Newtonschen Mechanik auf jeder Groeßenskala und bei jeder Geschwindigkeit, der Äthertheorie, der Annahme eines ewigen und weitgehend unveränderten Universums usw..

    Nun gut, das Michelson-Morley-Experiment passte dicht so gut zum Weltbild, aber das würde sich sicher klären lassen.

    Einer der eminentesten Physiker des 19. Jahrhunderts, Lord Kelvin, fasste die damal herrschende Sichtweise in folgende Worte: "There is nothing new to be discovered in physics now, All that remains is more and more precise measurement."

    Man sollte sehr vorsichtig sein, das, was wir wissen oder zu wissen meinen, nicht zu überschätzen.

    Wenn man aber andersherum meint, den heutigen Wissensstand als überholt beweisen zu koennen, dann bitte schoen: Immer her mit dem nächsten "Zur Elektrodynamik bewegter Koerper". Etwas mehr Mühe sollte man sich aber schon geben als ein paar hingeworfene Behauptungen und bedeutungslose Assoziationen.

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