Was ist dunkle Materie?
Dunkle Materie ist das unsichtbare Element im Universum – theoretisch umgibt sie uns und ist überall vorhanden. Astronomische Beobachtungen liefern Daten, die in den meisten Fällen keinen Sinn machen, wenn man nur die sichtbare Materie berücksichtigt. Die resultierenden Widersprüche führten Astrophysiker dazu, Modelle zu entwickeln. Diese beinhalten erhebliche Mengen an zusätzlicher Materie, die nicht wahrnehmbar ist. Dunkle Materie interagiert nur durch ihre Gravitation mit normaler Materie und Licht.
Wissenschaftler führen seit Jahrzehnten Experimente durch, um dunkle Materie nachzuweisen. Bisher blieb ein definitives Signal aus. Ein Team von Physikern an der Universität Southampton hat nun ein neuartiges Gerät entwickelt, welches diese geheimnisvolle Materie auf eine innovative Weise suchen könnte.
Das Satelliten-Experiment im Detail
Das Experiment soll auf einem kleinen Satelliten, einem sogenannten CubeSat, stattfinden. Dieser misst lediglich 10 x 10 x 7 cm und wiegt 1,5 kg. Im Inneren befindet sich ein kleines Stück Graphit, das circa 1 Gramm wiegt. Dieses wird mithilfe einer magnetischen Falle levitiert. Ein Laserstrahl wird in Richtung eines Photonendetektors auf der gegenüberliegenden Seite geleitet. Das schwebende Graphit blockiert das Licht.
Das Konzept sieht vor – so die Hypothese – dass Wellen der dunklen Materie, die den Satelliten umgeben, die Gravitation des Graphits beeinflussen. Diese Störung lässt verschiedene Lichtmengen zu dem Detektor reflektieren. Somit kann das Team die Präsenz und Eigenschaften der dunklen Materie bestimmen. Tim Fuchs, ein Physiker der Universität Southampton, erklärt: „Während der Satellit die Erde umkreist, durchquert er das dunkle Materie-Halo, das in unserer Galaxie vermutet wird.“
Die Herausforderungen der dunklen Materieforschung
Die verschiedenen Formen der dunklen Materie können unterschiedliche Eigenarten aufweisen. Diese schließen ihre Masse, das Antwortverhalten auf elektromagnetische Kräfte und die Interaktionsstärke mit regulären Materiepartikeln ein. Über die Jahre wurden unterschiedliche Experimente initiiert, die sich auf spezifische Typen konzentrierten.
Ein Ermittlungsansatz geht davon aus, dass dunkle Materie sehr selten mit regulärer Materie interagiert. Experimente wie LUX und XENON1T zielen darauf ab, Kandidaten, bekannt als schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs), innerhalb großer Tanks mit flüssigem Xenon nachzuweisen. Diese Tanks sind in kryogenen Kammern untergebracht und befinden sich in wassergefüllten Bereichen, die unter Bergen verborgen sind. Seltene Interaktionen zwischen WIMPs und Xenon sollten Lichtblitze erzeugen, die empfindliche Detektoren aufgezeichnet hätten.
Ein Paradigmenwechsel durch den Satelliten?
Trotz bedeutender Herausforderungen blieben diese Experimente in den letzten Jahren ohne nachweisbare Erfolge. Möglicherweise liegt es daran, dass dunkle Materie tatsächlich häufiger mit regulärer Materie interagiert als vermutet. Laut Fuchs könnte die Suche nach dieser Form der dunklen Materie besser für Raumexperimente geeignet sein. Hier ist die physische Materiedichte geringer.
„Falls die Dichte dunkler Materiepartikel hoch ist und sie mit einer hohen Interaktionsrate auftreten – sie könnten durch die Atmosphäre oder andere natürliche Barrieren, wie Berge, von der Erde aus nicht nachweisbar sein,“ verdeutlicht Fuchs.
Zukunftsausblick: Der Satellit im All
Es besteht die Möglichkeit, dass auch dieses Satellitenexperiment dunkle Materie nicht entdeckt. Doch die Diversifizierung der Ansätze – mit Teams, die in verschiedenen Regionen forschen – erhöht die Chancen, diese schwer fassbare Substanz eines Tages zu identifizieren.
Der Satellit soll Anfang nächsten Jahres in den Orbit gebracht werden. Dort wird er über zwei Jahre hinweg seine Experimente durchführen.
Das Team beschreibt das Projekt in folgendem Video:
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