Haben Physiker ein Dunkle-Materie-Teilchen entdeckt?

Dunkle Materie macht mehr als 85 Prozent aller Materie im Universum aus. Ihre Präsenz hat die kosmische Entwicklung entscheidend geprägt und bis heute beeinflusst sie das Verhalten von Galaxien, Gasen und anderen Objekten. Trotzdem ist die Dunkle Materie ein Rätsel: Woraus sie besteht, ist noch immer unbekannt. Trotz intensiver Suche mit verschiedenen Verfahren und Detektoren haben Forschende bisher keines der postulierten Kandidatenteilchen nachweisen können.

Dies gilt auch für das WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), ein schweres, kaum mit anderer Materie interagierendes Teilchen. Lange als vielversprechendster Kandidat für Dunkle-Materie-Teilchen gehandelt, scheiterten bislang alle Versuche, WIMPs nachzuweisen. Viele Detektoren fanden gar nichts, einige vermeintliche Signale erwiesen sich im Nachhinein als Messfehler oder Hintergrundeffekt, wie beim XENON1T-Detektor im Jahr 2020.

WIMP-Fahndung im Untergrund

Jetzt gibt es einen neuen – potenziellen – Fund: Physiker haben mit dem LUX-ZEPLIN-Detektor (LZ) in den USA ein Signal entdeckt, dessen Merkmale zu denen eines WIMPs passen. „Es ist sehr spannend, dieses Ereignis in den Daten zu finden – genau in dem Bereich, in dem wir Anzeichen Dunkler Materie erwarten und in dem Hintergrundsignale sehr schwach sind“, sagt LZ-Sprecher Rick Gaitskell von der Brown University.

Aufgespürt haben die Physiker das Signal mit dem LZ-Detektor der Sanford Underground Research Facility (SURF) in South Dakota. Der Detektor besteht aus einem unterirdischen Tank mit zehn Tonnen flüssigem Xenon, dessen Wände mit extrem empfindlichen Photosensoren ausgestattet sind. Sollte ein Teilchen der Dunklen Materie durch diesen Tank fliegen und mit einem der Xenon-Atome kollidieren, müsste dies charakteristische Lichtsignale verursachen, die von den Sensoren eingefangen werden.

Der LUX-ZEPLIN-Detektor besteht aus einem zylindrischen Tank mit flüssigem Xenon im Zentrum, umgeben von speziellen Gasschichten und Photosensoren. — © Greg Stewart/ SLAC National Accelerator Laboratory

Verräterische Lichtblitze im Xenon-Tank

Bei einem solchen Ereignis entsteht der erste Lichtblitz direkt am Ort der Teilcheninteraktion. Ein zweites Aufleuchten wird durch Elektronen erzeugt, die durch die Teilcheninteraktion aus dem Xenon-Atom herausgeschlagen und in einer Hüllschicht des Tanks beschleunigt werden. Das Verhältnis dieser beiden Lichtsignale verrät, ob sie von normalen radioaktiven Zerfällen stammen oder durch die Kollision eines Teilchens der Dunklen Materie mit einem Xenon-Atomkern, wie Gaitskell und seine Kollegen erklären.

Für ihre aktuelle Analyse hatten die Physiker Daten ausgewertet, die der LZ-Detektor zwischen März 2023 und April 2024 aufgezeichnet hatte. In aufwändigen Verfahren filterten sie Störeffekte und Signale „normaler“ Interaktionen aus den Rohdaten heraus. Dabei suchten sie gezielt nach Signalen, die in einem höheren Energiebereich lagen als zuvor betrachtet. Er umfasste Kollisionsereignisse, die auf einen elastischen Rückstoß der Xenonkerne mit Energien bis zu 270 Kiloelektronenvolt hindeuten.

Rückstoß-Signal mit 248 Kiloelektronenvolt

Tatschlich wurden die Physiker fündig: „Ein Ereignis stach heraus, das auf eine Atomkern-Kollision mit einem Rückstoß von 248 Kiloelektronenvolt hindeutet“, berichten sie. Der LZ-Detektor hatte dieses Signal am 16. Juni 2023 eingefangen. „Wir kennen unseren Detektor und die Hintergrundeffekte so gut, dass selbst ein einzelnes herausragendes Ereignis – wie das, das wir gefunden haben – von Bedeutung ist“, sagt Erstautor Sam Eriksen von der University of Bristol.

Aber stammt dieses Signal wirklich von einem WIMP – und damit einem der lange gesuchten Teilchen der Dunklen Materie? Noch reicht die statistische Zuverlässigkeit dafür nicht aus, wie auch Eriksen und seine Kollegen einräumen: Sie ermittelten für ihr Signal eine Signifikanz von 2,6 Standardabweichungen (Sigma) – das entspricht ungefähr einer Wahrscheinlichkeit von 0,5 Prozent, dass dieses Signal doch von einem Hintergrundprozess erzeugt wurde. Für ein Ereignis am genauen Ursprungsort im Detektor lag die lokale Signifikanz bei maximal 3,4 Sigma.

„Plausibler Ausreißer“

„Wir behaupten nicht, dass wir hier Dunkle Materie nachgewiesen haben“, betont LZ-Sprecher Gaitskell. „Angesichts nur eines einzelnen Ereignisses wollen wir keine voreiligen Schlüsse ziehen. Aber wir haben hier etwas Interessantes gefunden, das wir der wissenschaftlichen Gemeinschaft mitteilen wollen – auch um deren Einschätzung zu bekommen.“ Sollte sich das Signal aber bestätigen, dann müsste das auslösende WIMP eine Masse von mindestens 200 Gigaelektronenvolt besessen haben – rund das 200-Fache eines Protons.

Die Photomultiplier-Detektoren des LZ-Detektors sind extrem empfindlich und können so die schwachen Lichtblitze einfangen, die bei der Interaktion von potenziellen Dunkle-Materie-Teilchen mit den Xenon-Atomkernen entstehen. — © Matthew Kapust/ Sanford Underground Research Facility

Um festzustellen, ob an diesem potenziellen WIMP-Signal wirklich etwas dran ist, werden die Physiker jetzt noch weitere Datenpakete des LZ-Detektors auf ähnliche Weise prüfen. Ist das Signal real, müsste seine statistische Signifikanz weiter zunehmen. Ist es doch ein bloßer Messfehler oder Störeffekt, wird sie verschwinden. „Ausreißer-Ereignisse in den Daten sind nicht ungewöhnlich und meist erweisen sie sich bei genauerer Betrachtung als Hintergrundsignal“, erklärt Aaron Manalaysay vom Lawrence Berkeley Laboratory in Kalifornien.

In diesem Fall sieht der Physiker aber eine gute Chance dafür, dass das Signal Bestand hat: „Dies ist unter allen Experimenten, an denen ich bisher mitgewirkt habe, der erste Fall eines Ausreißers, der in jeder Hinsicht plausibel erscheint“, sagt Manalaysay. „Natürlich zerbrechen wir uns weiterhin den Kopf darüber, ob uns womöglich ein seltener Hintergrundmechanismus entgangen sein könnte. Aber es könnte auch sein, dass wir hier einem Nachweis dunkler Materie auf der Spur sind.“

Quelle: Sam Eriksen (University of Bristol, UK) et al (LZ Collaboration; 2026 TeV Particle Astrophysics Conference, Preprint