Matthias Gräbner - Kosmos - Quanten - Zeitreise.

Einst war sie Standard-Werkzeug der Teilchenphysiker, dann verschwand sie im Museum. Nun soll die Blasenkammer bei der Suche nach Kandidaten für die Dunkle Materie helfen.

Es gab mal eine Zeit, da konnte einem findigen Physiker ihre Erfindung den Nobelpreis einbringen: Die Blasenkammer war in den 60-er und 70-er Jahren des vorigen Jahrhunderts schließlich eines der wichtigsten Instrumente der Kernphysik. Sie löste recht elegant das Problem, dass man zum Entdecken seltener Interaktionen zwischen bestimmten Teilchen einerseits ein großes Raumgebiet abdecken muss, andererseits aber auch sehr genau hinsehen sollte.

Die Blasenkammer hilft dabei insofern, als sie selbst für die optische Vergrößerung der entscheidenden Ereignisse sorgt: eine winzige Blase in einer metastabilen, eigentlich schon über dem Siedepunkt befindlichen Flüssigkeit, etwa von einer Kollision mit einem Atomkern angeregt, wächst quasi von allein zu problemlos beobachtbarer Größe heran. Als sie in den Physiklaboren rund um die Welt noch populär war, gelangen auf diesem Wege spannende Entdeckungen: Das sehr kurzlebige Omega-Minus-Teilchenetwa, das das Quark-Modell wesentlich bestätigte, wurde zuerst in einer Blasenkammer beobachtet.

Auch bei der Erforschung eines Teilchens, das sich lange jeglicher Messung verweigerte, war die Kammer nützlich: Mit ihr gelang es 1973, den so genannten „neutralen Strom“ nachzuweisen, eine Reaktion der schwachen Wechselwirkung, bei der Teilchen über ein Z-Boson ohne elektrische Ladung an ein Neutrino koppeln. Schauplatz war damals die Gargamelle, ein am Kernforschungszentrum CERN in Genf errichteter Detektor, der mit 12.000 Litern Flüssigkeit gefüllt war.

Dagegen nimmt sich die Blasenkammer richtig klein aus, von der ein US-Forscherteam im Wissenschaftsmagazin Science berichtet. Gerade mal ein Liter fasst der Glasbehälter, in den die Wissenschaftler die recht schwere Flüssigkeit Trifluorjodmethan (kurz CF3I) füllten. Der Name, den die Forscher für das Experiment erfanden, CCOUP (Chicagoland Observatory for Underground Particle Physics), klingt auch nicht so schön wie die Genfer Gargamelle. Trotzdem glaubt man, mit dem Glascontainer einen wichtigen Beitrag auf der Suche nach der Dunklen Materie geleistet zu haben. Der könnte vor allem darin bestehen, dass die Wissenschaftler nun besser wissen, wo und wie sie am besten suchen sollten.

Wie - natürlich mit einer Blasenkammer. Die Forscher hoffen, die Empfindlichkeit ihres Experiments deutlich steigern zu können, wenn sie ein 30 Liter fassendes Gefäß benutzen. Zudem wollen sie ihr Setup noch tiefer als bisher unter die Erde tragen, um den Einfluss der Umgebung weiter zu reduzieren. Neuigkeiten liefern die CCOUP-Vertreter aber auch dazu, in welchem Bereich sich eine weitere Suche überhaupt lohnt. Dass die WIMPs (weakly interacting massive particles), die als Kandidaten für die Dunkle Materie gelten, mit Neutronen über einen spin-unabhängigen Prozess reagieren, hatte man schon früher ausschließen können. Die CCOUP-Ergebnisse zeigen nun aber auch, dass selbst für spinabhängige Reaktionen kein Platz bleibt. Das bringt das DAMA-Experiment etwas in Schwierigkeiten - hatte das doch schon aus im Jahresverlauf in erwarteter Weise wechselnden Detektionsraten auf das kosmische Halo als Quelle von WIMPs hingewiesen. Diese Ergebnisse lassen sich nun immer schwerer als Resultate von Interaktionen mit Dunkler Materie diskutieren.

Fast ein Viertel der Masse des Universums wird von Dunkler Materie gebildet - von der es bisher aber außer ihrer Gravitationswirkung keinen Nachweis gibt. Das Experiment Pamela liefert nun Daten, die nähere Aufschlüsse über die Natur der Dunklen Materie geben.

Wenn es eine offensichtliche Diskrepanz dazwischen gibt, was Forscher beobachten, und dem, was sie berechnen, dann gibt es dafür zwei mögliche Reaktionen: Man nimmt an, dass die Theorie, die hinter den Berechnungen steht, nicht stimmt. Oder man glaubt, wohl nicht genau genug hingesehen zu haben, und versucht, die fehlenden Beobachtungen nachzuholen. Das Verhalten unseres Universums ist so ein Fall: es dehnt sich in einer Art und Weise aus, die sich aus der beobachteten Masse nicht erklären lässt. Nun könnte man annehmen, dass eben unser Verständnis der Gravitation ungenügend ist - dumm nur, dass sich damit schon eine Menge erklären lässt. Also nutzt man doch lieber Ausweg zwei.

Schuld daran, dass wir bisher nicht genau hinsehen konnten, sollen die speziellen Eigenschaften der Hilfskonstrukte sein, die man als Dunkle Materie und Dunkle Energie bezeichnet. Dunkle Materie müsste demzufolge etwa 23 Prozent des Universums ausmachen, Dunkle Energie sogar 23 Prozent - und nur der klägliche Rest von vier Prozent wäre normale, baryonische Materie, wie wir sie seit langem kennen. Dass von ihrem dunklen Äquivalent nichts zu bemerken ist, liegt daran, dass es mit der normalen Materie sehr, sehr selten wechselwirkt. Sag niemals nie - bei der ungeheuren Größe des Weltalls muss es natürlich trotzdem jede Menge Wechselwirkungen Dunkler und baryonischer Materie geben.

Anzeichen davon hat ein internationales Forscherteam im Rahmen des Pamela-Experiments ( Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) gefunden. Pamela sucht dabei nach dem kleinen Anteil von Antimaterie-Teilchen in der kosmischen Strahlung. Dafür sind im Prinzip zwei Quellen denkbar: Zum einen können Positronen oder Antiprotonen durch Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung mit dem interstellaren Medium entstehen - diese Mechanismen fassen die Forscher zu Sekundärquellen zusammen. Zum anderen können Positronen auch primäre Produkte astrophysikalischer Objekte wie etwa von Pulsaren oder Mikroquasaren darstellen oder durch die Annihilation Dunkler Materie geboren worden sein.

Der Pamela-Detektor hat nun über einen Zeitraum von etwa 500 Tagen das Verhältnis von Elektronen- und Positronen-Fluss in seiner Erdumlaufbahn gemessen. Eine Milliarde Ereignisse wurden dabei registriert, darunter fanden sich Spuren von über 150.000 Elektronen und 9430 Positronen im Energiebereich zwischen 1,5 und 100 GeV. Bei Energien unter 10 GeV ist der Positronen-Anteil niedriger als erwartet, was die Forscher vor allem dem Einfluss des Sonnenwinds zuschreiben.

Hingegen zeigte sich, dass der Anteil der Positronen im Bereich ab 10 GeV signifikant mit der Energie wächst. Dieses Ergebnis passt nicht zu der Annahme, dass die detektierten Positronen aus einer sekundären Quelle stammen - in diesem Fall müsste der Positronen-Anteil mit der Energie abnehmen, während das Elektronenspektrum immer härter wird. Mit diesen Daten können die Wissenschaftler noch nicht entscheiden, was in der Realität die Quelle der Positronen ist - die Magnetosphäre eines Pulsars kommt ebenso in Frage wie annihilierte Dunkle Materie.

Wenn man allerdings annimmt, dass Dunkle Materie mindestens teilweise zum Positronenfluss beträgt, dann verrät das etwas über die Quelle selbst, also die Dunkle Materie. Diese muss sich zum Beispiel einem Zerfall in vor allem leptonische Endzustände unterwerfen. Zudem kommen nur schwere WIMPsin Frage, die nicht homogen im Universum verteilt sein dürften. Noch mehr ließe sich ermitteln, könnte man das Positronen-Spektrum oberhalb von 100 GeV bestimmen - PAMELA wird sich deshalb nun verstärkt diesem Bereich widmen. Zur Unterscheidung von Pulsaren und Dunkler Materie als Positronenquelle hofft man auf Daten des FERMI-Satelliten, der das kosmische Gamma-Spektrum untersucht. Pulsare und Dunkle Materie sind nämlich unterschiedlich im Weltall verteilt, was auch das Gammaspektrum beeinflussen müsste.

Womöglich leuchteten die ersten Sterne gar nicht im sichtbaren Bereich: nach Berechnungen von US-Forschern spielte Dunkle Materie bei ihrer Bildung eine stärkere Rolle als bisher vermutet.