Zwei aktuelle Experimente nähern sich dem Rätsel der dunklen Materie aus entgegengesetzten Richtungen. SuperCDMS SNOLAB hat in einem unterirdischen Detektor mit der ersten wissenschaftlichen Datensammlung begonnen. Parallel dazu berichtet eine neue Auswertung von 15,5 Jahren Daten des Fermi Large Area Telescope über ein schmales Gammastrahlensignal nahe 43,2 GeV in mehreren nahe gelegenen Galaxienhaufen.
Beide Ergebnisse sind interessant – aber keines ist eine Entdeckung dunkler Materie. SuperCDMS befindet sich noch in einer frühen wissenschaftlichen Phase. Das Gammastrahlensignal ist bislang lediglich ein auffälliger Hinweis, der unabhängige Überprüfungen überstehen muss.
1. SuperCDMS SNOLAB startet den ersten Messbetrieb
Warum der Detektor tief unter der Erde und extrem kalt ist
SuperCDMS SNOLAB liegt rund 2 Kilometer unter der Erde im Tiefenlabor SNOLAB, das sich in der Vale-Creighton-Mine nahe Sudbury in der kanadischen Provinz Ontario befindet. Das umgebende Gestein schirmt die Anlage vor kosmischer Strahlung und anderer Radioaktivität ab, die eine Wechselwirkung dunkler Materie vortäuschen könnte. 81113
Auch die Temperatur ist außergewöhnlich: Die Kristalle aus Silizium und Germanium werden auf etwa 15 Millikelvin gekühlt – nur wenige Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Dadurch lässt sich thermisches Rauschen unterdrücken. Der Detektor kann so nach winzigen Energieeinträgen suchen, die entstehen könnten, wenn ein Teilchen dunkler Materie auf einen Kristall trifft. 1215
Wonach SuperCDMS sucht
Das Experiment umfasst 24 Detektoren aus zwei verschiedenen Materialien: Germanium und Silizium. Sie sind in Detektortürmen angeordnet und kombinieren Technologien zur Messung von Wärme- und Ladungssignalen. So sollen sehr niedrige Energieschwellen mit einer möglichst guten Unterscheidung von Hintergrundereignissen verbunden werden. 101114
Damit konzentriert sich SuperCDMS auf einen Bereich, den andere Großexperimente nicht gleichermaßen abdecken: vergleichsweise leichte Kandidaten für dunkle Materie. Dazu gehören Teilchenmassen, die für Anlagen mit einem anderen, höheren Energiebereich schwerer zugänglich sein können. 69
Was die frühe wissenschaftliche Phase bedeutet
Der Beginn der Datennahme folgt auf etwa sechs Monate Inbetriebnahme und Tests. Es handelt sich noch nicht um den Messbetrieb mit der endgültig geplanten Empfindlichkeit. Zunächst wollen die Forschenden die Leistungsfähigkeit der Detektoren überprüfen, Untergründe besser verstehen und die Auswertung verfeinern. Die vollständige Suche soll 2027 beginnen. 12
Auch die ersten Daten könnten bereits nützliche Ausschlussgrenzen oder ein unerwartetes Kandidatenereignis liefern. Die größte Entdeckungschance wird jedoch erst erwartet, wenn das gesamte System umfassend charakterisiert ist und mit der vorgesehenen Empfindlichkeit läuft.
2. Fermi-Daten zeigen eine vorläufige Gammastrahlenlinie bei 43,2 GeV
Was die Analyse ergeben hat
Eine unabhängige Studie untersuchte 15,5 Jahre öffentlich zugänglicher Daten des Fermi-Large-Area-Telescope von 13 massereichen Galaxienhaufen in der näheren kosmischen Umgebung. Dabei meldete sie einen linienartigen Überschuss nahe 43,2 GeV. Den größten Beitrag lieferten die Haufen Virgo, Fornax und Ophiuchus.
Eine schmale Gammastrahlenlinie ist deshalb interessant, weil einige Modelle der dunklen Materie vorhersagen, dass bei der Vernichtung solcher Teilchen Photonen mit einer charakteristischen Energie entstehen könnten. In dieser Deutung wäre das Signal mit der Annihilation sogenannter WIMPs vereinbar – hypothetischer, schwach wechselwirkender massereicher Teilchen. Es wäre damit ein möglicher Hinweis auf die Teilchenphysik hinter dunkler Materie, aber kein direkter Nachweis der Materie selbst.
Warum das noch keine Entdeckung ist
Die Analyse ist bemerkenswert, doch statistische Auffälligkeit ist nicht dasselbe wie Bestätigung. In der vorliegenden Darstellung wird eine Signifikanz von ungefähr 4,3 Sigma genannt. Das liegt unter dem in der Teilchenphysik üblichen Richtwert von 5 Sigma für eine Entdeckung. Eine separate Konferenzzusammenfassung verwandter Analysen nennt nach Berücksichtigung des sogenannten Look-Elsewhere-Effekts sogar eine niedrigere Signifikanz von 3,7 Sigma. Dieser Effekt berücksichtigt, dass über viele Energien und Datenauswahlen hinweg gesucht wurde.
Eine linienartige Struktur kann zudem auch andere Ursachen haben, etwa:
- eine unvollständige Modellierung astrophysikalischer Gammastrahlen-Hintergründe;
- eine statistische Schwankung, die durch die Auswahl besonders vielversprechender Energien oder Ziele verstärkt wurde;
- einen instrumentellen, kalibrierungsbedingten oder mit der Ereignisauswahl zusammenhängenden Effekt.
Auch frühere Untersuchungen von Galaxienhaufen mit Fermi-LAT beschrieben einen möglichen Hinweis nahe 43 GeV, fanden jedoch keine global statistisch signifikante Linie. Deshalb ist das neue Ergebnis vorerst vor allem ein Ansatzpunkt für weitere Beobachtungen – kein Beleg dafür, dass WIMPs entdeckt wurden.
Wie die beiden Entwicklungen zusammenpassen
SuperCDMS und die Fermi-Auswertung testen unterschiedliche Eigenschaften möglicher dunkler Materie:
- SuperCDMS ist ein Experiment zum direkten Nachweis. Es wartet darauf, dass ein Teilchen dunkler Materie Energie in einem kalten Germanium- oder Siliziumkristall abgibt.
- Die Fermi-Analyse sucht indirekt. Sie untersucht Strahlung, die bei der Vernichtung dunkler Materie in dichten kosmischen Strukturen entstehen könnte.
Ein positives Ergebnis müsste in beiden Fällen zunächst von gewöhnlichen Hintergrundereignissen unterschieden und durch weitere Daten bestätigt werden. Besonders überzeugend wäre eine Übereinstimmung unabhängiger Methoden. So weit ist die Forschung derzeit jedoch noch nicht.
Was als Nächstes kommt
Für die unterirdische Suche ist der nächste wichtige Schritt der Übergang von Inbetriebnahme und früher Datennahme zum geplanten Messbetrieb mit voller Empfindlichkeit im Jahr 2027. Die größere Beobachtungszeit und die bessere Charakterisierung der Hintergründe sollen strengere Tests für Modelle leichter dunkler Materie ermöglichen. 26
Beim Gammastrahlenhinweis kommt es vor allem auf eine Wiederholung an. Neue Beobachtungen mit höherer Empfindlichkeit oder besserer Energieauflösung könnten zeigen, ob die Struktur bei 43 GeV in denselben Galaxienhaufen wieder auftaucht und sich so verhält, wie es ein Modell dunkler Materie vorhersagt. Unabhängige Instrumente wären außerdem wichtig, um mögliche systematische Fehler des Fermi-Teleskops auszuschließen.
Das Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA verfolgt wiederum einen anderen Ansatz. Mit großflächigen Infrarotdurchmusterungen und Messungen des Gravitationslinseneffekts soll es die Verteilung dunkler Materie kartieren und untersuchen, wie sie sichtbare Galaxien beeinflusst – nicht WIMPs direkt nachweisen.
Zusammen zeigen diese Programme, warum die Suche nach dunkler Materie auf mehreren komplementären Wegen voranschreitet: Forschende messen mögliche Teilchenkollisionen auf der Erde, suchen im All nach Vernichtungsprodukten und verfolgen den unsichtbaren Stoff anhand seiner gravitativen Wirkung. Die nüchternste Schlussfolgerung lautet daher: Es gibt zwei wertvolle neue Hinweise, aber noch keine bestätigte Antwort.
