Wir glauben, dass sie existiert. Doch einen zweifelsfreien, wissenschaftlichen Nachweis gib es noch nicht. Die Rede ist von Dunkler Materie. Wie unsichtbare Maschen soll sie das gesamte Universum durchziehen. Sie befindet sich an den Orten, wo augenscheinlich nichts ist. Forschende sind versucht ihre Geheimnisse zu lüften, wobei sie zu nie geahnten Mitteln greifen.
Mit Large Hadron Collider nach Dunkler Materie suchen
Seit Jahrzehnten treibt die Suche nach Dunkler Materie und eindeutigen Nachweisen ihrer Existenz Mitglieder der Forschungsgemeinde um. „Aus diesem Grund betreiben wir Grundlagenforschung und erforschen die tiefsten Geheimnisse des Universums“, erklärt Professor Deepak Kar von der Fakultät für Physik der Universität Witwatersrand in Johannesburg, Südafrika.
Zu diesem Zweck arbeitet er in einem internationalen Team unter anderem in der Europäische Organisation für Kernforschung: „Der Large Hadron Collider am CERN ist das größte Experiment, das jemals gebaut wurde, und Teilchenkollisionen, die Urknall-ähnliche Bedingungen erzeugen, können genutzt werden, um nach Hinweisen auf Dunkle Materie zu suchen.“
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Neue Methode für die Suche entwickelt
Durch die Arbeit mit dem hochmodernen Instrument gelang es Kar und seiner ehemaligen Doktorantin Sukanya Sinha, eine neue Methode zur Entdeckung Dunkler Materie zu entwickeln, weiß SciTechDaily.
Bisherige Arbeiten, die sich mit der Suche nach Dunkler Materie beschäftigen, versuchten sich dem Projekt stets über sogenannte WIMPs (weakly interacting massive particles) anzunähern. Hierbei handelt es sich um eine besondere Klasse von massiven (und vor allem theoretischen) Teilchen, deren Besonderheit es ist, dass sie nahezu gar nicht mit ihrer Umgebung interagieren oder sich von ihr beeinflussen lassen. Diese Eigenschaften sagt man auch der Dunklen Materie nach, weshalb die WIMPs die optimale Annäherung an die ominöse Substanz sein könnten. Allerdings gelang es Forschenden bisher nicht diese WIMPs aufzuspüren.
Kar und Sinha wollten daher von Anfang an einen anderen Ansatz verfolgen. „Wir haben uns gefragt, ob dunkle Materieteilchen tatsächlich in einem Strahl aus Standardmodellteilchen erzeugt werden“, erklärt der Professor. Dieser Gedankengang führte das Team dazu eine neue Detektorsignatur zu untersuchen. Durch ihre Forschungsarbeit nennt man diese fortan semi-visible Jets oder auf deutsch halbsichtbare Jets.
Halbsichtbare Jets könnten Weg bereiten
Die Suche nach halbsichtbaren Jets anstelle von WIMPs soll die Forschenden direkt in die Arme der Dunklen Materie führen. Die bisherige Theorie gesagt, dass bei hochenergetischen Kollisionen von Protonen die Zersetzung in Quarks und Gluonen über Jets gesammelt wird.
Dabei kann es auch zur Entstehung von halbsichtbaren Jets kommen, insofern dunkle Quarks und Hadronen – dessen Existenz noch bewiesen werden muss – bei der Kollision ebenfalls zerfallen. Im Detektor ließe sich dieser halbsichere Jet über das Fehlen von Energie verfolgen.
Doch abseits dieser Idee gibt es keine gesicherten Erkenntnisse, ob dieser Vorgang auch so stattfinden würde. Schließlich könnten die Ergebnisse vom Detektor auch durch Fehlmessungen hervorgerufen werden. Somit könnte die gesamte Annahme zur Suche nach Dunkler Materie durch Kar und Sinha auf einem Irrtum beruhen. Das Team äußert sich daher nur vorsichtig optimistisch zu den bisherigen Forschungsergebnissen.
So sagt Sinha: „Obwohl meine Doktorarbeit keine Entdeckung der Dunklen Materie beinhaltet, legt sie die ersten und ziemlich strengen Obergrenzen für diesen Produktionsmodus fest und inspiriert bereits zu weiteren Studien.“
Quelle: „Search for non-resonant production of semi-visible jets using Run 2 data in ATLAS“ (Physical Letters B, Januar 2024), SciTechDaily
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