Ein Experiment, das als „historisch“ und „rekordbrechend“ bezeichnet wurde, nutzte einen Teilchen-Detektor, der sich 1,6 Kilometer tief in Dakota, USA, befindet, um hypothetische Teilchen der Dunklen Materie zu identifizieren. Diese sollen den Großteil der Materie im Universum ausmachen. Das Experiment endete jedoch ohne den Nachweis solcher Teilchen.

Der als LUX-ZEPLIN (LZ) bekannte Test nutzte die größte Datenbasis dieser Art weltweit und schränkte die potenziellen Eigenschaften eines der Hauptkandidaten für Dunkle Materie, der als WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) bekannt ist, mit einem beispiellosen Grad an Präzision ein. Obwohl keine Beweise für diese geheimnisvolle Substanz gefunden wurden, wird die Studie zukünftigen Forschungen helfen, falsch-positive Ergebnisse zu vermeiden.

„Es ist unsere Mission, zu versuchen, dieses riesige fehlende Puzzlestück in unserem Verständnis des Universums zu lösen“, sagte Rick Gaitskell, der Koordinator der Astrophysik-Gruppe an der Brown University und Mitglied des LZ-Forschungsteams, laut Agerpres.

Die Ergebnisse wurden am Montag, den 8. Dezember, während einer wissenschaftlichen Konferenz im Sanford Underground Research Facility, dem Standort des verwendeten Detektors, vorgestellt. Sie wurden zur Veröffentlichung in den Physical Review Letters eingereicht und sind derzeit nur in der Preprint-Datenbank arXiv verfügbar.

Das Team hatte zwei erklärte Ziele für dieses Experiment. Das erste Ziel war die Aufklärung der Eigenschaften der „Aroma“ von leichten Dunkle Materie-Teilchen, auch bekannt als WIMPs. In der Teilchenphysik bezieht sich „Aroma“ auf die fundamentale Eigenschaft, die verschiedene Typen von Elementarteilchen unterscheidet.

Das zweite Ziel bestand darin, die Fähigkeit des Detektors zu testen, Sonnenneutrinos zu identifizieren – fast masselose subatomare Teilchen, die in den nuklearen Reaktionen im Inneren der Sonne produziert werden. Die Forscher vermuteten, dass das Detektionssignal dieser Teilchen ähnlich dem eines bestimmten Dunkle Materie-Modells sein könnte, mussten jedoch die Sonnenneutrinos identifizieren, um dies sicher zu wissen.

Vor dem Experiment, das über einen Zeitraum von 417 Tagen von März 2023 bis April 2025 stattfand, wurde die Empfindlichkeit des Detektors erhöht, um seltene Wechselwirkungen zwischen den fundamentalen Teilchen besser erfassen zu können. Eine zylindrische Kammer, gefüllt mit flüssigem Xenon, bildete die experimentelle Umgebung.

Die Forscher suchten nach Hinweisen auf Kollisionen zwischen WIMP-Teilchen oder Neutrinos mit dem Xenon, die Blitze von Photonen und positiv geladenen Elektronen erzeugen.

Obwohl das Experiment keine neuen Erkenntnisse über die gesuchten WIMPs lieferte, machte das Team Fortschritte in der Wissenschaft in Bezug auf sowohl WIMPs als auch Neutrinos. Für die Neutrinos behaupten die Forscher, Daten gesammelt zu haben, die zeigen, dass ein bestimmter Typ von Sonnenneutrinos, bekannt als Boron-8, tatsächlich mit Xenon interagiert. Diese Informationen werden zukünftigen Experimenten helfen, falsch-positive Ergebnisse für Dunkle Materie zu vermeiden.

In der Physik müssen Entdeckungen normalerweise ein Vertrauensniveau von „5 Sigma“ erreichen, um als gültig betrachtet zu werden. Das neue Experiment erreichte jedoch 4,5 Sigma – eine erhebliche Verbesserung im Vergleich zu Ergebnissen unter 3 Sigma, die von zwei Detektoren im vergangenen Jahr gemeldet wurden. Dies war besonders bemerkenswert, da die Nachweise von Boron-8-Neutrinos nur etwa einmal im Monat im Detektor auftreten, selbst wenn 10 Tonnen Xenon überwacht werden, gemäß Gaitskell.

In Bezug auf die Dunkle Materie fanden die Wissenschaftler jedoch keine definitiven Beweise für die gesuchten leichten WIMPs. Laut den Forschern hätte das Team gewusst, dass es etwas gefunden hatte, wenn es das Ergebnis einer Wechselwirkung zwischen WIMPs und einem Xenon-Molekül ergriffen hätte. Wenn diese Wechselwirkung stattfindet, erzeugt die Kollisionsenergie ein charakteristisches Signal, wie es von den Modellen vorhergesagt wird.

„Wenn wir einen Kern betrachten, ist es möglich, dass Dunkle Materie eintritt und gleichzeitig aus dem gesamten Kern streut und ihn zum Zurückziehen bringt“, erklärte Gaitskell. „Es wird als kohärente Streuung bezeichnet. Es hat ein bestimmtes Signal in Xenon. Daher suchen wir nach diesen kohärenten Kernreculs“, fügte er hinzu.

Eine weitere, längere Runde von Detektionen wird 2028 beginnen, wobei erwartet wird, dass der Detektor Ergebnisse über einen Rekordzeitraum von 1.000 Tagen sammelt. Längere Runden bieten den Forschern eine bessere Chance, seltene Ereignisse zu erfassen.

Der Detektor wird nicht nur nach mehr Sonnenneutrinos oder WIMP-Wechselwirkungen suchen, sondern auch nach anderen physikalischen Elementen, die in das Standardmodell der Teilchenphysik passen, das den größten Teil der Umgebung um uns herum beschreibt.

Rick Gaitskell betonte ebenfalls, dass die Rolle der Wissenschaft darin besteht, weiterhin Fortschritte zu machen, auch wenn „negative“ Ergebnisse auftreten. „Eine Sache, die wir gelernt haben, ist, niemals anzunehmen, dass die Natur die Dinge genau so macht, wie wir glauben, sie sollten“, sagte Gaitskell, der seit über vier Jahrzehnten nach Dunkler Materie sucht. „Es gibt viele (Lösungen), die elegant sind, von denen man sagen könnte: Es ist so schön. Es muss wahr sein. Und wir haben sie getestet… und es stellte sich heraus, dass die Natur sie ignorierte und dass sie nicht auf diesen speziellen Weg gehen wollte.“