Dunkle Materie

Zu dunkler Materie fasst man all jene Materie im Universum zusammen, die man nicht sehen kann, auf deren Existenz jedoch indirekt zum Beispiel durch die Gravitationswirkung geschlossen wurde.

Astronomen und Kosmologen wissen nicht, woher 90 Prozent der Masse im Universum stammen - ein ziemlich beträchtlicher Grad an Unwissen, der jeden Studenten durchs Examen rasseln ließe. Doch die Ratlosigkeit bietet Gelegenheit, auch exotische Lösungen für das Problem in Betracht zu ziehen. Einige davon entstanden in Zusammenarbeit mit den Kollegen aus der Teilchenphysik. So könnten beispielsweise schwere Teilchen wie die WIMPs für das Gewichtsproblem verantwortlich sein. Das Experiment AMANDA bei DESY hält auch nach diesen Exoten Ausschau.

Woher weiß man von Materie, die man nicht sehen kann?

Das Universum ist groß und daher sicherlich auch schwer. Aber wie misst man seine Masse? Oder besser: Wie kommt man auf die Idee, dass es schwerer sein müsste als all das, was man sieht? Sterne stellt man nicht einfach auf eine Waage, wirft eine Münze ein und liest das Ergebnis ab. Vielmehr sind indirekte Methoden zur Ferngewichtsmessung gefragt.

Und diese Verfahren deuten so eindrucksvoll darauf hin, dass Galaxien von enormen Ansammlungen dunkler (nicht-leuchtender) Materie umgeben sind, dass nur noch wenige Wissenschaftler daran zweifeln.

Eine dieser Methoden betrifft die Rotation von Galaxien: Galaxien sind ständig in Bewegung, drehen sich um sich selbst. Anderenfalls würden sie aufgrund der Schwerkraft in sich stürzen. Durch die Drehung werden die Gestirne jedoch wie im Karussell nach außen gedrückt, was sie auf der Bahn hält. Auch unser Sonnensystem behält auf diese Weise seine Form.

Dabei fällt allerdings auf, dass die Planeten umso schneller um die Sonne kreisen, je weiter innen sie sich befinden. Die Erde ist rund dreimal so flott wie der Saturn. Messungen an Galaxien ergeben dagegen, dass die Geschwindigkeitsverteilung wie beim Sonnensystem für die Sternenanhäufungen nicht mehr zutrifft. Hier zeigt sich, dass die Sterne alle mit nahezu derselben Geschwindigkeit unterwegs sind - egal wie weit sie sich vom Zentrum entfernt befinden.

In unserem Planetensystem könnte man eine solche Geschwindigkeitsverteilung erreichen, wenn es auch noch zwischen den Planeten jede Menge Materie gibt. Dann könnten Erde und Saturn auch gleich schnell unterwegs sein. Dasselbe Argument deutet nun auf die Existenz von dunkler Materie hin: Alle Galaxien sind von einer kugelförmigen, massiven Ansammlung dunkler Materie eingehüllt.

Woraus besteht dunkle Materie?

Physiker haben zahlreiche Kandidaten ausgemacht, die zur dunklen Materie beitragen könnten: Sternenstaub beispielsweise oder Braune Zwerge. Das sind Sonnen, die zu leicht sind, als dass in ihnen eine Kernfusion in Gang kommen könnte. Auch bereits erloschene Sterne kann man nicht sehen. Es gibt zudem weit schwerere Kandidaten, wie die Schwarzen Löcher, die - der Name lässt es vermuten - nun auch recht unsichtbar sind. Diese Anwärter auf dunkle Materie sind Sache der Astronomen. Doch es gibt da noch eine weitere Klasse von "dunklen" Objekten, welche eher in das Gebiet der Teilchenphysik fallen: WIMPs.

WIMPs

WIMP steht für "weakly interacting massive particle" (schwach wechselwirkendes schweres Teilchen), es wurde noch nie beobachtet und und es kommt im Standardmodell der Teilchenphysik auch nicht vor.

Das ist eigentlich erst einmal ein Pferdefuß. Denn bei diesem Modell handelt es sich um den Stand der Dinge, wenn es um kleinste Teilchen und ihre Wechselwirkungen geht. Es gilt bisher als ungeschlagen. Aber dennoch glauben Physiker, dass es nicht der Weisheit letzter Schluss sein kann. Sie suchten nach Erweiterungen und fanden eine in der so genannten Supersymmetrie. Danach gibt es zu jedem Teilchen einen supersymmetrischen Partner, der meist viel schwerer (!) ist.

WIMPs sind nun die supersymmetrischen Partner der Neutrinos. Bereits die Neutrinos sind äußert scheue Teilchen, die so gut wie nie mit anderer Materie wechselwirken. Nicht zuletzt deshalb hat es bis zum Sommer 2000 gedauert, dass man das letzte Neutrino (tau-nü) zum ersten Mal direkt nachweisen konnte. Damit wäre das Neutrino eigentlich ein perfekter Kandidat für die dunkle Materie. Zumal gibt es unzählbar viele von ihnen. Doch leider sind Neutrinos viel zu leicht, wiegen vielleicht sogar nichts - eine Frage, die immer noch nicht abschließend geklärt ist.

Anders sieht es bei den supersymmetrischen Partnern der Neutrinos aus. Berechnungen zufolge könnten diese Teilchen 50 bis einige hundert Male schwerer sein als das Proton. Sie würden damit so viel wiegen wie schwere Atome, Gold zum Beispiel.

Italienische Physiker meinen, erste Anzeichen für WIMPs gefunden zu haben. Auch das Neutrino-Teleskop AMANDA von DESY im Ewigen Eis des Südpols sucht nach den noch hypothetischen Teilchen. Dabei konzentrieren sich die Forscher nicht auf den Kosmos. Vielmehr wird auch vermutet, dass sich WIMPs tief im Inneren der Erde aufhalten. Der letzte Beweis ist noch nicht erbracht. WIMPs scheuen eben die Konfrontation, bedeutet das englische Wort "wimp" doch "Weichei".