Schlaglöcher durchziehen die Straße, in der Ferne zeigt sich der Corno Grande Mitte April frisch eingeschneit in prächtigem Weiß. Mit 2912 Metern ist er der höchste Gipfel im Apennin. In dieser idyllischen Gebirgsregion gut eineinhalb Autostunden nordöstlich von Rom deutet zunächst einmal nichts darauf hin, dass hier den größten Geheimnissen der Physik nachgespürt wird. Bis sich mitten im Autobahntunnel durch das Gran-Sasso-Gebirgsmassiv plötzlich eine Abzweigung auftut, die bald vor einem massiven Metalltor endet, das nur autorisierte Fahrzeuge passieren dürfen. Willkommen in den Laboratori Nazionali del Gran Sasso, dem weltgrößten unterirdischen Versuchslabor.
Enormes Ausmaß unseres Unwissens
Seit beinahe 100 Jahren bleibt bei der Dunklen Materie vieles im Dunkeln. Anfang der 1930er-Jahre stellten der niederländische Astronom Jan Hendrik Oort und der Schweizer Astronom Fritz Zwicky bei astronomischen Beobachtungen fest, dass es mehr Masse im Universum geben muss, als für uns sichtbar ist. Zwicky führte dafür den Begriff "Dunkle Materie" ein. Es war als ein Hilfskniff gedacht, der bald durch eine bessere Erklärung ersetzt werden sollte. Doch diese gibt es bis heute nicht, und die Dunkle Materie treibt nach wie vor ihr Unwesen in der Physik: Wir können die Dunkle Materie nicht sehen und auch nicht auf andere Weise direkt nachweisen. Jedoch müssen wir aus Beobachtungen von Galaxien und Sternen indirekt auf ihre Existenz schließen.
Besonders unbefriedigend ist, dass die Dunkle Materie nicht nur ein kleiner, unbegreiflicher Nebenschauplatz im Universum ist. Wie die Beobachtungen zeigen, muss es sogar deutlich mehr Dunkle Materie als gewöhnliche Materie geben, denn sie dürfte fast 85 Prozent der Masse im Universum ausmachen. Nimmt man nicht nur die Masse, sondern den gesamten Energiegehalt des Universums in den Blick, wird das Ausmaß unserer Unkenntnis sogar noch beträchtlicher: Gemessen an der gesamten Energie im Universum macht die uns bekannte Materie gerade einmal läppische fünf Prozent aus. 27 Prozent entfallen auf die Dunkle Materie und gar 68 Prozent auf die noch ominösere Dunkle Energie.
Machos und Schwächlinge
Doch was genau ist die Dunkle Materie? Woraus besteht sie? Und gibt es vielleicht doch eine Möglichkeit, sie direkt zu erforschen? Im Laufe der Jahrzehnte wurden zahlreiche Erklärungsversuche im Zusammenhang mit diesen Fragen präsentiert. Beispielsweise spekulierte Stephen Hawking in den 1970er-Jahren, dass sogenannte primordiale Schwarze Löcher, die kurz nach dem Urknall entstanden sind, die Dunkle Materie erklären könnten. Andere Ansätze kommen aus der Teilchenphysik: So ist in den 1980ern die Hypothese der "Wimps" aufgekommen, um die Dunkle Materie zu erklären. Die Abkürzung steht für "weakly interacting massive particles", also schwach wechselwirkende massereiche Teilchen, und spielt mit dem englischen Ausdruck "wimp" für Schwächling. Dem gegenüber stehen die "Machos" ("massive astrophysical compact halo objects", auf Deutsch: massereiche astrophysikalische kompakte Halo-Objekte), die wiederum eine konkurrierende Erklärung für die Dunkle Materie liefern wollen.
Egal ob Schwarze Löcher, Wimps oder Machos – sie alle teilen dasselbe Schicksal wie die anderen Erklärungsversuche für Dunkle Materie: Keiner von ihnen konnte bislang bestätigt werden. Und damit bleibt die Dunkle Materie bis auf weiteres eines der größten Rätsel der Physik. Wäre da nicht ein kleines gallisches (oder besser gesagt italienisches) Dorf, das die Lösung gefunden haben will.
Spektakuläre Ergebnisse
Denn im Untergrund des Gran-Sasso-Gebirgsmassivs produziert ein kleines italienisches Experiment seit mehr als zwei Jahrzehnten Daten, die den direkten Nachweis von Dunkle-Materie-Teilchen darstellen sollen. Das Experiment trägt den Namen Dama/Libra und ist in den Laboratori Nazionali del Gran Sasso in einem unscheinbaren Container untergebracht. Kann es stimmen, dass hinter diesen Wellblechwänden Physikgeschichte geschrieben wird?
Die Ergebnisse von Dama/Libra klingen tatsächlich spektakulär: Wenn man annimmt, dass das Universum voll von bislang unbekannten Dunkle-Materie-Teilchen ist, dann müsste die Erde auf dem Weg durch das All mit diesen Teilchen kollidieren – und das mit wechselnder Intensität. Denn die Sonne und ihre Planeten bewegen sich mit 220 Kilometern pro Sekunde um das Zentrum der Milchstraße. Zusätzlich kreist die Erde mit 30 Kilometern pro Sekunde um die Sonne. Das halbe Jahr kreist sie in der Bewegungsrichtung der Sonne, das halbe Jahr in die Gegenrichtung. Daraus ergibt sich im Laufe eines Jahres eine schwankende Intensität des Teilchennebels, aus dem die Dunkle Materie bestehen soll, wobei das Maximum Anfang Juni erreicht wird und das Minimum Anfang Dezember. Und genau diese Schwankung will Dama/Libra detektiert haben.
Offene Fragen und mangelnde Reproduzierbarkeit
Das seit 1995 laufende Dama/Libra-Experiment könnte der Stein von Rosette im Verständnis der Dunklen Materie sein, ein direkter Anknüpfungspunkt, der uns hilft, das rätselhafte Phänomen zu entschlüsseln. Doch in der Fachwelt gibt es erhebliche Zweifel an der Glaubwürdigkeit des Dama-Signals, und das aus mehreren Gründen. Zunächst muss man wissen, dass das Experiment von einer relativ kleinen Gruppe betrieben wird. Kenner sprechen von einem inneren Kern von etwa sechs Personen, die nicht für ihre Offenheit bekannt sind. Sowohl beim fachlichen Austausch mit anderen Forschungsgruppen wie auch in der Öffentlichkeitsarbeit ist Dama/Libra äußerst zurückhaltend. Das Dama/Libra-Team publiziert zwar regelmäßig Aufsätze, jedoch sind darin keine Rohdaten der Messungen enthalten, die eine unabhängige Überprüfung möglich machen würden. Manche vermuten, dass es sich bei den Signalen aufgrund der verwendeten Datenanalysemethoden bloß um statistische Artefakte handeln könnte und keineswegs um jene Sensation, als die sie erscheinen.
Zahlreiche andere Forschungsgruppen haben im Laufe der Jahre versucht, die Ergebnisse von Dama/Libra zu reproduzieren. Doch da ein Versuch nach dem anderen gescheitert ist, gelten die Dama-Signale vorerst als nicht unabhängig reproduzierbar und damit nicht gesichert. Außerhalb des unscheinbaren Containers konnte noch niemand einen direkten Hinweis auf Dunkle Materie finden.
Der nächste Versuch
Bewegung könnte nun ein neues Experiment in die Angelegenheit bringen, das vergangene Woche ebenfalls im Gran-Sasso-Untergrundlabor eröffnet wurde, nur wenige Schritte vom Dama/Libra-Container entfernt. Das Forschungsprojekt trägt den Namen "Cosinus", die Abkürzung steht für "cryogenic observatory for signatures seen in next-generation underground searches". Das erklärte Ziel ist es, die Dama-Signale ein für alle Mal zu reproduzieren – oder eben festzustellen, dass die Reproduktion nicht möglich ist.
Cosinus ist freilich nicht das erste Experiment mit diesem Ansinnen, nimmt aber eine Sonderstellung ein. Denn noch nie zuvor wurde versucht, die Dama-Daten mit demselben Detektor nachzuweisen; alle anderen Reproduktionsversuche haben bisher andere Detektortechnologien verwendet. Neben dem Max-Planck-Institut für Physik in München sind die Technische Universität Wien und das Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) maßgeblich am Experiment beteiligt. Weitere Kooperationspartner sind das italienische Istituto Nazionale di Fisica Nucleare und des finnische Helsinki Institute of Physics.
Die mangelnde Reproduzierbarkeit der Dama-Daten sei ein "Problem, das die wissenschaftliche Community auf der ganzen Welt seit Jahren beschäftigt", sagt Florian Reindl, der sowohl an der ÖAW wie auch an der TU Wien tätig ist und einer der Leiter des neuen Forschungsprojekts ist. "Wir haben mit unserem neuentwickelten Experiment nun endlich die Chance, dieses Rätsel zu lösen: Wir verwenden in unserem Detektor Natriumiodid, dasselbe Material wie im Dama/Libra-Experiment, so können wir optimale Vergleichbarkeit gewährleisten." Das Cosinus-Experiment bietet aber noch einen zusätzlichen Vorteil: Sollte es tatsächlich gelingen, das Dama-Signal zu reproduzieren, würde Cosinus wesentlich genauere Messungen erzielen, was noch detailreichere Rückschlüsse auf die Dunkle Materie möglich machen würde.
Wassertank und Kupfermantel
Die Idee für das Experiment ist bereits 2016 entstanden. Reindl war damals noch Doktorand und entwickelte gemeinsam mit Karoline Schäffner vom Max-Planck-Institut für Physik in Garching bei München die Idee, die Dama-Daten mit einem ganz ähnlichen, aber noch genaueren Experiment zu überprüfen. Nach jahrelangen Vorbereitungen leiten die beiden jetzt das aufsehenerregende Forschungsprojekt.
Das Gran-Sasso-Untergrundlabor ist der ideale Standort für das Cosinus-Experiment. Das hat nicht primär mit der räumlichen Nähe zum Dama/Libra-Aufbau zu tun, sondern generell mit der Infrastruktur in diesem einzigartigen Forschungsstollen: 1400 Meter Fels oberhalb des Labors bieten eine sehr gute Abschirmung vor kosmischer Strahlung, die die Messresultate verfälschen würden. Die Abschirmung durch das Gebirgsmassiv beträgt einen Faktor von einer Million, aber ein paar kosmische Teilchen dringen dennoch durch. "Auch die können gefährlich für unser Experiment werden", sagt Reindl. Mittels Wassertank wird der Detektor zusätzlich dagegen abgeschirmt, weiters bietet eine acht Zentimeter dicke Kupferschicht die perfekte Abschottung vor ungewollten Teilchen-Störenfrieden.
Verräterische Indizien
Trifft ein Dunkle-Materie-Teilchen ein Atom des Detektors, würde es zwei Spuren hinterlassen: einen kurzen Lichtblitz und eine winzige Temperaturerhöhung des Detektors. Diese verräterischen Indizien sollen im Rahmen des Cosinus-Experiments gemessen werden. Das Herzstück ist ein Kryostat: Der extrem leistungsstarke "Kühlschrank" erlaubt es, den Detektor auf neun Millikelvin herunterzukühlen. So finden die Messungen nahe am absoluten Temperaturnullpunkt von minus 273 Grad Celsius statt. Warum braucht man es überhaupt so kalt, um der Dunklen Materie auf die Schliche zu kommen? "Die Idee ist, dass Dunkle-Materie-Teilchen im Detektor am Atomkern gestreut werden. Dabei wird Energie übertragen, was zu einer Schwingung im Kristallgitter führt", sagt Reindl. Schwingungen entsprechen einer Temperaturerhöhung, die hier im Bereich von einem Millionstel Grad liegt. "Das messen wir mit einem sehr sensitiven Thermometer."
Weiters entsteht im Kristall auch Licht, das ebenfalls gemessen wird. "Nur indem wir beide Signale detektieren, können wir die Energiebilanz der einfallenden Teilchen genau analysieren", sagt Florian Reindl. Im Dama/Libra-Experiment würde hingegen nur das Licht, nicht aber die Wärme vermessen, was erklärt, warum mit Cosinus noch präzisere Messungen erzielt werden sollen. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass bei Dama rund zehn Kilogramm schwere Natriumiodidkristalle verwendet werden. Bei Cosinus kommen hingegen 30 Gramm leichte Kristalle zum Einsatz, "weil sich ein kleiner Kristall bei der gleichen von einem Teilchen deponierten Energie mehr aufwärmt als ein größerer", sagt Reindl.
Einzigartige Forschungsbedingungen
Die Laboratori Nazionali del Gran Sasso bieten einen einmaligen Standort für das neue Cosinus-Experiment. Mehr als 500 Forschende aus 30 Ländern versuchen hier in unterschiedlichen Experimenten den elementaren Bausteinen der Materie auf die Schliche zu kommen. Etwa 120 Kilometer nordöstlich von Rom durchquert nahe der Stadt L'Aquila ein zehn Kilometer langer Autobahntunnel das Gran-Sasso-Massiv. Als der italienische Kernphysiker Antonino Zichichi in den 1970er-Jahren von den Plänen für diesen Tunnel hörte, hatte er die Idee, diese Gelegenheit für die Errichtung eines Untergrundlabors zu nutzen – und so kam es dann auch.
1989 startete das erste Experiment in den drei Versuchshallen, die je 100 Meter lang und 18 Meter hoch sind. Die Hallen sind durch Gänge verbunden und alle drei Richtung Kernforschungszentrum Cern ausgerichtet, da das für frühere Experimente notwendig war. Der Schwerpunkt der Forschung des Untergrundlabors liegt auf Neutrinos, wie sie etwa in der Sonne entstehen, und eben der Dunklen Materie.
Warten auf die ersten Daten
Auch wenn das Cosinus-Experiment bereits offiziell in einem Festakt eröffnet worden ist, bei dem neben den beteiligten Forschungsinstitutionen etwa auch das Österreichische Wissenschaftsministerium vertreten war, wird noch an der Fertigstellung gearbeitet. Der Kryostat ist zwar bereits auf Betriebstemperatur, doch der Wassertank ist noch nicht gefüllt und der Tank ist innen noch eingerüstet. In den kommenden Monaten soll der Versuchsaufbau fertiggestellt und getestet werden. Wenn alles nach Plan läuft, können die ersten Messungen noch gegen Ende des Jahres starten. Ende 2025 könnten dann die ersten Ergebnisse vorliegen.
Insgesamt ist das Experiment auf fünf Jahre ausgelegt, und am Ende stehen zwei mögliche Resultat: Entweder kann Cosinus die Daten von Dama reproduzieren – oder nicht. Wenn eine Bestätigung des Signals gelingt, könnten die Daten dafür bereits im Laufe des kommenden Jahres vorliegen. Bis zur Widerlegung sind Hochpräzisionsmessungen über mehrere Jahre notwendig. Angesichts der zahlreichen Experimente, die bereits an der Bestätigung der Dama-Signale gescheitert sind, gehen in der Fachwelt viele davon aus, dass auch der erneute Versuch nicht gelingen wird. Auch Reindl bestätigt, dass die "die wissenschaftliche Welt darauf wartet, dass Cosinus nicht diese Signale sieht, die bei Dama registriert werden – dann würde der Ball wieder bei den Betreibern dieses Experiments liegen, ihre Daten zu erklären".
Durch sich selbst bestätigt
"Wir freuen uns darauf, zu sehen, wie das Cosinus-Experiment mit seinem völlig anderen Ansatz versucht, diese Ergebnisse zu reproduzieren", teilt Rita Bernabei, Professorin an der Università di Roma Tor Vergata und Sprecherin des Dama/Libra-Experiments, mit. Sie betont, dass im Rahmen des Dama-Projekts mehrere Versuchsanordnungen entwickelt und zahlreiche Aktivitäten im Bereich der Suche nach seltenen Ereignissen durchgeführt wurden. "Im Laufe der Jahrzehnte haben die verschiedenen Dama-Experimentierkonfigurationen die Ergebnisse der jährlichen Modulation durchweg bestätigt", so Bernabei.
Nach dieser Lesart hat sich das geheimnisumwobene Dama-Experiment zur mysteriösen Dunklen Materie also selbst bestätigt. Cosinus hat gute Chancen, in den kommenden Jahren neues Licht in die dunkle Angelegenheit zu bringen. Einstweilen bleibt noch vieles rätselhaft. (Tanja Traxler aus L'Aquila, 28.4.2024)