«Was Dunkle Materie ist, weiss man nicht», stellte Marc Schumann gleich zu Beginn des rege besuchten Vortrags «Die dunkle Seite des Universums» klar. Schumann ist Professor für Experimentelle Astroteilchenphysik am Albert Einstein Center for Fundamental Physics der Universität Bern. Das gemischte Publikum, das vom Gymnasiasten bis zum Physikexperten reichte, lauschte dem Referat mit grossem Interesse. Grossen Anklang fanden insbesondere die vor Ort durchgeführten Experimente.

Universum - Dunkle Energie - Dunkle Materie

Auf der ganzen Welt beschäftigen sich Wissenschaftler intensiv mit der Dunklen Materie. So auch an der Universität Bern. Eine Experimentalgruppe um Marc Schumann sucht im Rahmen des internationalen XENON-Experiments mittels ultra-sensitiver Detektoren nach Dunkler Materie. Zum bisher gewonnenen Wissen gehört die Erkenntnis, dass sich das Universum zu 68 Prozent aus dunkler Energie und zu 27 Prozent aus einer mysteriösen Substanz - eben der Dunklen Materie - zusammensetzt. «Damit sind 95 Prozent des Universums dunkel», so Schumann. Nur fünf Prozent des Universums bestehen folglich aus normaler Materie, die beispielsweise am CERN untersucht wird. Als Faustregel gilt, dass pro Sekunde etwa 100'000 Teilchen der Dunklen Materie auf eine Fläche von einem Quadratzentimeter treffen.

Dunkle Materie: unsichtbar, kalt, stabil, kaum Kollisionen

Es steht fest, dass sich die Dunkle Materie von normaler Materie unterscheidet, aus der beispielsweise Blumen im Garten bestehen. Aus diversen Beobachtungen des Kosmos wurde die Erkenntnis gewonnen, dass es Dunkle Materie gibt. Diese zeichnet sich durch Unsichtbarkeit aus, weil es zwischen ihr und anderer Materie keine bekannte Wechselwirkung gibt, also keine signifikanten Kollisionen geschehen. Zudem wird ihr die Eigenschaft «Kälte» zugeschrieben, da sie sich im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit langsam bewegt. Ferner gilt Dunkle Materie als stabil. Da kein bekanntes Teilchen über die genannten Eigenschaften verfügt, muss die Dunkle Materie aus einem hypothetischen, neuen Teilchen bestehen: Ein sehr gut geeigneter Kandidat dafür ist das «WIMP» (weakly interacting massive particle bzw. schwach wechselwirkendes massives Teilchen).

Die Suche nach Dunkler Materie

Es gibt drei Methoden, um WIMPs zu finden: die indirekte Suche, die direkte Suche oder die Produktion Dunkler Materie. Bei der indirekten Suche werden beispielsweise Satelliten auf das Zentrum einer Galaxie gerichtet. Im Rahmen des Forschungsprojektes, an dem Schumann beteiligt ist, bedient man sich der direkten Methode. Dabei wird ein Detektor - ein mit flüssigem und gasförmigen Xenon gefüllter Zylinder - in ein Labor gestellt und darauf gewartet, dass eines der Dunkle Materie-Teilchen, die konstant durch den Detektor fliessen, mit einem der Xenon-Atomkerne zusammenstösst: Bei diesen seltenen Kollisionen entstehen Ladungs- und Lichtsignale, die vom Detektor gemessen werden. Dabei muss man die Radioaktivität möglichst gering halten, da diese einen unerwünschten Hintergrund bei der Suche nach seltenen Ereignissen erzeugt. Eine Abschirmung vor Radioaktivität kann zum Beispiel durch Blei erreicht werden. Im Projekt von Schumann steht der Detektor in den «Laboratori Nazionali del Gran Sasso» in der Nähe von L’Aquila, Italien, wo er durch 1’400 Meter Fels vor kosmischer Strahlung abgeschirmt wird. Dabei handelt es sich um das grösste unterirdische Versuchslabor zur Untersuchung von Elementarteilchen.

Bislang kein Zeichen Dunkler Materie

Im bereits abgeschlossenen XENON100-Experiment, an dem verschiedene Universitäten beteiligt waren, wurde kein Zeichen Dunkler Materie gefunden. Zurzeit beschäftigen sich die Forschenden mit einem neuen Experiment, dem XENON1T. In dessen Rahmen wird ein grösserer Detektor verwendet. Er umfasst über drei Tonnen flüssiges Xenon sowie 248 hochsensitive Fotosensoren. Damit ist er hundertmal sensitiver als sein Vorgänger. Die Berner Forschenden tragen innerhalb von XENON1T die Verantwortung für das Detektor-Design sowie für das System zur Datenauslese. Schumann empfindet es als faszinierend, «einen eigenen Detektor zu bauen und der Erste zu sein, der in einen neuen Bereich vorstösst». Gesamthaft sind am Projekt 130 Wissenschaftler aus 18 Ländern beteiligt. Es startet zirka Mitte 2015.