„Gottesteilchen“ war erst der Anfang: Large Hadron Collider sucht Dunkle Materie

/ Nina Jerzy

ATLAS ist eins der vier Experimente am Large Hadron Collider LHC am CERN in Genf. Ziel ist die Erforschung der grundlegenden Bausteine der Materie und der fundamentalen Kräfte der Natur, die unser Universum geformt haben.

Mit der Entdeckung des „Gottesteilchens“ hat der LHC bereits unser Bild vom Universum revolutioniert. Nun ist der Teilchenbeschleuniger bereit für das nächste große Rätsel: die allgegenwärtige und doch nie aufgespürte Dunkle Materie.

Der ominöse Name ist passend gewählt: Die Dunkle Materie ist der notorisch blinde Fleck der Astronomie und dabei doch der Kitt, der das Weltall zusammenhält. Hunderttausende dieser Partikel sollen jede Sekunde durch unsere Körper rasen. Gleichwohl wurde nie eins dieser Teilchen direkt nachgewiesen. Das soll sich nun ändern. Ganze zwei Jahre lang ist der Large Hadron Collider auf seine nächste Mission vorbereitet worden. In der größten Maschine der Welt war 2012 der bahnbrechende Nachweis des Higgs-Boson gelungen, jenes „Gottesteilchens“, das aller Materie erst ihre Masse verleiht. Im März wird der Teilchenbeschleuniger am Europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf wieder hochgefahren, um hoffentlich Dunkle Materie zu erzeugen, weitere Dimensionen zu entdecken und eine ganz neue Art von Elementarteilchen aufzuspüren.

Der 27 Kilometer lange Ring aus supraleitenden Magneten, 100 Meter unter der Erdoberfläche, ist seit der Stilllegung am 14. Februar 2013 von hunderten Ingenieuren und Technikern gehörig aufgerüstet worden. Die Partikel im Ring werden künftig mit 13 Tera-Elektronenvolt statt früher 8 Tera-Elektronenvolt aufeinanderprallen. Nur mithilfe dieser höheren Energieleistung können schwerere Teilchen erzeugt werden. Um die enormen Kräfte zu bändigen, wurden über 10.000 der Verbindungen zwischen den 1.232 supraleitenden Dipolmagneten mit Nebenwiderständen ausgestattet. Auf diese Weise kann der Strom bei einem Notfall einen anderen Weg finden. Neben den Schutzmechanismen wurde auch das Kühlsystem von Grund auf überarbeitet. Es macht die Magnete bei Temperaturen von minus 271,2 Grad Celsius supraleitend und gleichzeitig zu einer der kältesten Stellen im Universum. „Der LHC ist nach dieser langen Abschaltung quasi eine neue Maschine“, sagte CERN-Generaldirektor Rolf Heuer bei der Neujahrsansprache.

Unsichtbare Macht im Weltraum

All dieser Aufwand soll ein für alle mal die Natur der obskuren Dunklen Materie offenbaren. Bereits in den 1930er Jahren war Astronomen aufgefallen, dass in den Tiefen des Universums eine unsichtbare Macht herrscht. 40 Jahre später setzte sich endgültig die Erkenntnis durch, dass die bekannte Masse aus Protonen, Neutronen und Elektronen in den Galaxien bei weitem nicht ausreicht, um den Fliehkräften der Gravitation entgegenzuwirken. Damit die Sternensysteme nicht auseinanderfliegen, muss über fünfmal mehr unsichtbare als konventionelle Materie im Weltall vorhanden sein. Gigantische Wolken des unbekannten Elementarteilchens sollen die Galaxien umgeben und durchziehen – so auch das Zentrum unserer Milchstraße. Zudem hat Dunkle Materie nach Ansicht vieler Forscher dafür gesorgt, dass sich nach dem Urknall relativ rasch Sterne und Galaxien gebildet haben.

This stunning picture of Cas A is a composite of infrared (red), optical (yellow) and X-ray (green and blue) images. The infrared image from the Spitzer Space Telescope reveals warm dust in the outer shell with temperatures of about 25 degrees Celsius, whereas the optical image from the Hubble Space telescope brings out the delicate filamentary structures of warmer (10,000 Celsius) gas; Chandra shows hot gases at about 10 million degrees Celsius. This hot gas was created when ejected material from the supernova smashed into surrounding gas and dust at speeds of about ten million miles per hour. A comparison of the infrared and X-ray images of Cas A should enable astronomers to determine whether most of the dust in the supernova remnant came from the massive star before it exploded, or from the rapidly expanding supernova ejecta.

Dunkle Materie konnte bislang nur indirekt anhand ihrer Gravitationseffekte nachgewiesen werden. Offenbar reagieren die Teilchen so gut wie gar nicht mit herkömmlicher Materie. Ein hypothetisches Modell bezeichnet sie denn auch als „Weakly Interacting Massive Particles“oder WIMP – englisch für „Weichei“. In Hightech-Laboren wird seit Jahren versucht, Partikel der Dunklen Materie tief unter der Erdoberfläche einzufangen – mit bislang nicht schlüssigen Ergebnissen. Die Forscher am LHC gehen einen anderen Weg: Sie wollen die Dunkle Materie direkt erzeugen und so gleich mehrere Fragen auf einen Schlag klären.

Neue Dimensionen

Viele Wissenschaftler rechnen nämlich damit, dass Dunkle Materie aus sogenannten supersymmetrischen Teilchen besteht. Sollte sich dies im Large Hadron Collider bestätigen, wäre sogleich auch der Nachweis der Supersymmetrie-Theorie erbracht. Sie füllt die Lücken des bestehenden Standardmodells der Elementarteilchenphysik, indem jedem bekannten Baustein der Materie – darunter auch das Higgs-Boson – ein Partnerteilchen zugewiesen wird. Möglicherweise zeigen sich bei den energiereicheren Kollisionen auch schwere Formen bekannter Teilchen, die auf die Existenz neuer Raumdimensionen hindeuten, oder es offenbaren sich gänzlich exotische Partikel, die nur aufgrund ihrer Masse und der unweigerlichen Interaktion mit dem Higgs-Feld aufzuspüren sind.

Im Gegensatz zur dreijährigen Verfolgung der Higgs-Teilchen können die Forscher dieses Mal nicht genau vorhersagen, was sie finden werden. Umso spannender wird die Jagd.

Quelle: n-tv.de

(Bilder: NASA/JPL-Caltech/STScI/CXC/SAO; CERN)