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StartseiteForschung aktuellAuf der Spur der Dunklen Materie13.05.2014

Chinesisches UntergrundlaborAuf der Spur der Dunklen Materie

Dunkle Materie - gibt es sie und was ist sie? Es ist ein eines der größten ungelösten Rätsel der Physik. Ein deutsch-chinesisches Team will nun einen neuen Versuch starten, die Dunkle Materie zu finden - im tiefsten und größten Untergrundlabor der Welt.

Von Frank Grotelüschen

Pinke und violette "Wolken" vor dunklem Sternenhimmel. Dunkle Materie, aufgenommen vom Hubble Space Teleskop und dem Chandra X-ray Observatorium. (HO/NASA/AFP)
Angebliche Aufnahme von Dunkler Materie, aufgenommen vom Hubble Space Teleskop und dem Chandra X-ray Observatorium. (HO/NASA/AFP)
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Weiterführende Information

Kein Licht für die Dunkle Materie (Deutschlandfunk, Sternzeit, 07.01.2014)

Dunkle Materie - Experimente liefern widersprüchliche Resultate (Deutschlandfunk, Forschung aktuell, 06.01.2014)

Zahlenmäßig ist sie eine kleine Minderheit - jene Materie, aus der alles besteht. Der Rest dürfte aus einer Materieform bestehen, die völlig unsichtbar ist. Was hinter dieser Dunklen Materie steckt, konnte bisher noch niemand klären.

Peking, 8. August 2008. Wie viele seiner Landsleute sitzt Qian Yue vor dem Fernseher und schaut sich die Eröffnungsfeier der Olympischen Spiele an. Zwischendrin die Nachrichten - und plötzlich wird der Physikprofessor von der Tsinghua Universität hellhörig.

"Da kam die Meldung, dass ein chinesisches Unternehmen in der Provinz Sichuan einen Versorgungstunnel für ein Wasserkraftwerk durch einen Berg gegraben hat. Und als ich hörte, dass zweieinhalb Kilometer Felsgestein über dem Tunnel liegen, wurde mir klar: Das ist die Gelegenheit, ein Untergrundlabor zu bauen - und zwar das tiefste der Welt."

Dann ging alles sehr schnell: Yue und seine Kollegen kontaktierten das Unternehmen - und stießen auf offene Ohren. Kurz darauf begannen die Bauarbeiten für eine Experimentierhalle in der Tunnelmitte. 2010, nur zwei Jahre nach der Fernsehmeldung, war Jinping fertig - so heißt das tiefste Untergrundlabor der Welt. Doch was wollen die Physiker da unten?

"Auf der einen Seite suchen wir nach der Dunklen Materie,"

sagt Iris Abt vom Max-Planck-Institut für Physik in München. Gemeinsam mit Qian Yue hat sie ein chinesisch-deutsches Team auf die Beine gestellt, das in der Tiefe von Jinping gleich zwei Rätsel der Physik knacken will.

"Dunkle Materie wäre wichtig, als dass wir die Bewegungen der Sterne in den Randgebieten unserer Galaxie nicht erklären können und auch die Geschwindigkeiten der Galaxien zueinander nicht, wenn es da nicht noch was gibt, was zusätzlich Dunkle Materie ist."

Suche mit Germanium-Detektoren

Das zweite Rätsel: Ist ein flüchtiges Elementarteilchen namens Neutrino identisch mit seinem eigenen Antiteilchen, so wie manche Theoretiker vermuten? Klingt nach einem Detail für Spezialisten, könnte aber wichtig sein für unser Verständnis von Urknall und Kosmos.

"Wir wüssten gerne, ob Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind, weil das einen Hinweis darauf geben könnte, welche Mechanismen dafür verantwortlich sind, dass es in unserem Universum nur Materie gibt, aber keine Antimaterie."

Zu unserem Glück, muss man sagen. Denn hätte sich nach dem Urknall nicht mehr Materie als Antimaterie gebildet, hätten sich beide komplett vernichtet - und uns würde es gar nicht geben, genauso wenig wie Planeten, Sterne und Galaxien. Doch wie wollen die Physiker die beiden Effekte - Dunkle Materie und Neutrino-Eigenschaften - aufspüren? Mit einem Spezialdetektor, sagt Iris Abt.

"Unser Detektor besteht aus Kristallen in der Größenordnung einer Kaffeetasse. Die wiegen etwa ein bis zwei Kilogramm und bestehen aus Germanium."

Die Hoffnung: Manche der Germaniumkerne könnten spontan auf spezielle Weise zerplatzen - das wäre ein physikalischer Beweis dafür, dass das Neutrino mit seinem Antiteilchen identisch ist. Gegen andere Kerne könnte Dunkle Materie stoßen und ein schwaches Signal im Kristall auslösen. Nun hat schon manches Experiment nach solchen Effekten gesucht - bislang ohne Erfolg. Da hilft nur eines, sagt Abt - die Ball-aufs-Scheunentor-Strategie.

"Wenn ich ein Scheunentor treffen will, ist das umso einfacher, je größer das Scheunentor ist. Und deswegen bauen wir nun einfach ein größeres Scheunentor."

Eine Tonne Germanium, so die geplante Größe des Detektors. Das wäre rund hundertmal mehr als bei den bisherigen Experimenten. Doch einfach wird die Sache nicht:

"Die wesentlichen Herausforderungen sind, dass eigentlich alle Materialen auf diesem Planeten radioaktiv sind. Und dass diese radioaktiven Zerfälle in unserem Detektor Ereignisse erzeugen können, die genauso aussehen wie die Ereignisse, die wir suchen. Wir müssen diese natürliche Radioaktivität abschirmen. Und das ist nicht einfach."

Das tiefste und größte Untergrundlabor der Welt

Deshalb also soll das Experiment im tiefsten Untergrundlabor der Welt laufen, unter 2,5 Kilometern Gestein. Bis hier nämlich dringt kaum noch kosmische Strahlung durch, der Hauptfeind der Physiker. Nur: Für die bestehende Experimentierhalle wäre der Ein-Tonnen-Klotz Germanium viel zu groß. Also musste Qian Yue erneut aktiv werden und seine Kontakte zu den Wasserkraftwerk-Leuten spielen lassen.

"Nach einigen Diskussionen haben wir beschlossen, in den nächsten beiden Jahren das Untergrundlabor deutlich zu vergrößern. Wir wollen vier neue Hallen bauen, jede von ihnen 115 Meter lang - also viel Platz für neue Experimente.

Dann wird Jinping nicht nur das tiefste, sondern auch das größte Untergrundlabor der Welt sein - und der Grund wäre bereitet für das größte Dunkle-Materie-Experiment der Welt. Die ersten Messdaten aber dürfte es wohl kaum vor 2025 liefern.

 

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