Das größte Rätsel des Universums

Hier kommt ein Gedanke, der einen wirklich umhaut: Alles, was du anfassen, sehen oder anfassen kannst — dein Handy, dein Kaffee, dein eigener Körper — macht nur etwa 15 Prozent der gesamten Materie im Universum aus. Die restlichen 85 Prozent? Keine Ahnung. Noch nie gesehen, noch nie berührt, noch nie direkt gemessen. Aber wir wissen, dass da etwas sein muss. Ohne diese mysteriöse Substanz würde die Schwerkraft nicht funktionieren wie sie soll. Galaxien würden auseinanderfliegen. Das Universum, wie wir es kennen, würde schlicht nicht existieren.

Forscher nennen dieses Zeug dunkle Materie. Und seit nahezu 100 Jahren versuchen sie herauszufinden, woraus es besteht.

Nun, Leute — wir rücken näher ran.

Ein Experiment unter der Erde

Lasst mich euch von LZ erzählen — nein, nicht das Led-Zeppelin-Album. LZ steht für LUX-ZEPLIN, und es ist eines der faszinierendsten Wissenschaftsexperimente, von dem ihr wahrscheinlich noch nie gehört habt.

Stellt euch folgendes vor: Einen Kilometer unter der Erdoberfläche, in einem ehemaligen Goldbergwerk in South Dakota, haben Wissenschaftler einen Tank gebaut, der zehn Tonnen ultrareines flüssiges Xenon enthält. (Xenon ist dieses edle Gas, das blau leuchtet, wenn man Strom durchjagt.) Das Ganze ist in Schichten über Schichten von Abschirmung eingepackt — zum Schutz vor kosmischer Strahlung und anderen Störungen.

Warum dieser Aufwand? Ganz einfach: Falls es dunkle Materie-Teilchen gibt, dann sollten diese hin und wieder mit Xenon-Atomen zusammenstoßen. Bei solchen Zusammenstößen entstehen winzige Lichtblitze, die hochempfindliche Detektoren registrieren können. Je tiefer man ist und je ruhiger die Umgebung, desto größer die Chancern, etwas zu entdecken.

Und jetzt — LZ hat etwas entdeckt.

Das Signal, das niemand erklären kann

Die Forscher haben 220 Tage an Daten analysiert und dabei... ein einziges Ereignis gefunden. Nur eine einzige Wechselwirkung, die sich nicht mit bekannter Materie erklären lässt.

Warum ist das bedeutsam? Das Ereignis trat genau dort auf, wo ein dunkle-Materie-Signal auftauchen sollte. Und alle üblichen Quellen für Hintergrundrauschen — radioaktiver Zerfall, kosmische Strahlung und so weiter — wurden sorgfältig berücksichtigt. Das Team hat monatelang alles doppelt und dreifach überprüft. Sie kennen ihren Detektor so gut, dass selbst ein einzelnes unerklärliches Ereignis Rede und Antwort wert ist.

„Wir sind sehr fasziniert von diesem Ereignis in den Daten", sagte Rick Gaitskell, LZ-Sprecher und Professor an der Brown University. „Mit nur einem Ereignis wollen wir uns nicht verrennen. Wir beanspruchen nicht, dunkle Materie entdeckt zu haben. Aber wir haben etwas Interessantes gesehen."

Solche Zitate machen meinem Wissenschaftskommunikator-Herz Freude. Vorsichtiger Optimismus! Sauberes wissenschaftliches Vorgehen! Keine voreiligen Schlüsse! (Schaut her, manche andere Felder, die hier ungenannt bleiben.)

Was könnte es sein?

Falls dieses Signal tatsächlich von dunkler Materie stammt, sprechen wir wahrscheinlich von einem sogenannten WIMP — einem Weakly Interacting Massive Particle, auf Deutsch: einem schwach wechselwirkenden massiven Teilchen. Diese WIMPs sind die führenden Kandidaten für dunkle Materie. Teilchen, die mit gewöhnlicher Materie so gut wie nicht interagieren — außer über die Schwerkraft und die schwache Kernkraft.

Das hypothetische WIMP, das dieses Signal verursacht haben könnte, wäre mindestens 200-mal schwerer als ein Proton. Das ist für die Teilchenphysik ganz schön massig. Und hier wird es spannend: Es würde eine Art von Wechselwirkung repräsentieren, die über die einfachsten Modelle hinausgeht, nach denen Forscher normalerweise suchen.

Heißt also: Entweder haben wir dunkle Materie gefunden — oder eine neue Art gewöhnlicher Teilchenwechselwirkung, von der wir nichts wussten. Beides wäre ziemlich aufregend, ehrlich gesagt.

Warum wir noch nicht durchdrehen sollten

Ich weiß, ich weiß — ihr wollt am liebsten sofort euren Facebook-Status aktualisieren und von der Dunkle-Materie-Entdeckung erzählen. Aber Moment mal, Freunde.

In der Teilchenphysik braucht man die sogenannte 5-Sigma-Signifikanz, bevor man eine Entdeckung beanspruchen darf. Das bedeutet: weniger als 0,00003 Prozent Wahrscheinlichkeit, dass das Ergebnis nur Zufallsrauschen ist. Das LZ-Signal liegt derzeit bei 2,6 Sigma — also etwa 0,5 Prozent Chance, dass es sich um einen Zufall handelt.

Das ist faszinierend, aber nicht schlüssig.

Denkt mal daran: Stellt euch vor, ihr sucht eine verlorene Kontaktlinse auf dem Küchenboden. Ihr seht etwas Glänzendes. Ist es die Linse? Vielleicht. Ist es eine Krume? Auch vielleicht. Ist es ein kleines Stück Alufolie vom letzten Snack? Könnte sein. Ihr müsstet es aufheben und wirklich anschauen, um sicher zu sein.

Das LZ-Team braucht mehr Daten. Zum Glück haben sie bereits den größten Datensatz weltweit für die Suche nach dunkler Materie gesammelt — und sie haben nicht vor, aufzuhören.

Was kommt als Nächstes?

Das Experiment läuft weiter, Tag für Tag werden neue Daten gesammelt. Wenn dieses rätselhafte Signal immer wieder auftaucht — oder besser noch, wenn weitere ähnliche Ereignisse hinzukommen — dann steigt die Signifikanz Schritt für Schritt in Richtung dieser magischen 5-Sigma-Marke.

Oder das Signal verschwindet einfach wieder und entpuppt sich als statistische Schwankung. Das ist ebenfalls Wissenschaft. Manchmal ist auch das Nullergebnis enorm wichtig.

So oder so finde ich etwas Schönes an diesem ganzen Unterfangen. Wir sitzen einen Kilometer unter der Erde, umgeben von unglaublich reinem flüssigem Xenon, und suchen nach unsichtbarem Zeug, das den Großteil des Universums ausmacht. Das Universum ist seltsam — und wir geben nicht auf, es trotzdem zu verstehen.

Ob LZ tatsächlich dunkle Materie gesichtet hat, wird sich zeigen. Aber vorerst haben wir ein einziges, kleines, unerklärliches Signal, das Physiker auf der ganzen Welt ganz genau beobachtet.

Bleibt neugierig, Leute. Das Universum hat immer noch mehr Überraschungen auf Lager.