Süßer Nachweis Dunkler Materie

Seit einiger Zeit suchen Forschende nach sehr leichten Dunkle-Materie-Teilchen, für die neuartige Nachweismethoden entwickelt werden müssen. Eine Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für Physik hat zum ersten Mal mit Zucker als Detektormaterial experimentiert. Erste Tests verliefen vielversprechend – doch ein Selbstläufer ist der süße Stoff nicht.

CRESST ist ein Experiment, das für leichte WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) Dunkle-ausgelegt ist. Das Nachweisprinzip basiert auf einem Verhalten, das man von Kugeln beim Billardspiel kennt: Trifft ein Dunkle-Materie-Teilchen auf einen der Atomkerne im Kristall, prallt dieser zurück. Die Energie des Rückstoßes lässt sich als minimaler Temperaturanstieg und als schwaches Licht messen.

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Für den Nachweis von leichter Dunkle Materie werden spezielle Detektormaterialien gebraucht, wie Federica Petricca, Wissenschaftlerin am MPP und Sprecherin von CRESST erklärt: „Wir sind ständig auf der Suche nach neuen geeigneten Materialien. Je leichter deren Atomkerne sind, umso besser. Denn ein sehr leichtes Dunkle-Materie-Teilchen kann einen schweren Atomkern kaum aus der Ruhe bringen, genauso wenig wie eine Murmel, die auf eine Bowlingkugel prallt.“

Ihre Überlegungen brachten die Wissenschaftler:innen auf ganz normalen Haushaltszucker, Saccharose. „Der Gedanke schien uns zunächst abwegig, denn es gab keinerlei Hinweise auf vorherige Tests“, berichtet Federica Petricca. Dabei ist das Material nahezu perfekt: Kristallzucker besitzt neben Kohlenstoff und Sauerstoff insgesamt 22 Wasserstoffatome. Und mit nur einem Proton ist Wasserstoff das leichteste Element, das es gibt.

Allerdings wird Dunkle Materie wohl nicht mit Würfelzucker aus dem Supermarkt entdeckt werden. „Da wir für unsere Experimente besonders reine und große Kristalle benötigen, müssen wir sie in einem aufwendigen Verfahren, das mehrere Wochen dauert, selbst züchten“, erläutert Petricca.

Die Zuckerstücke wurden mit Temperatur- und Lichtsensoren ausgestattet und einer radioaktiven Quelle ausgesetzt. Am Kristall ließ sich tatsächlich ein Lichtsignal und ein Temperaturanstieg verzeichnen. „Das Ergebnis hat uns selbst überrascht, denn Saccharose bildet einen eher weichen Kristall“, erläutert Petricca. „Günstiger sind Materialien mit einem festen Kristallgitter, da es nach einer Teilchenkollision zu einer größeren Temperaturänderung kommt.“

Dennoch ist das Team sehr zufrieden mit seinem kreativen, „süßen“ Ansatz: „Wir haben erstmals gezeigt, dass Zucker sich grundsätzlich als Material für den Nachweis Dunkler Materie eignet“, so Petricca. „Allerdings wird sich erst nach vielen weiteren Tests und im Vergleich mit anderen Materialien zeigen, ob ein Detektor aus Saccharose zu realisieren ist.“ Der Zucker muss sich also erst noch bewähren. [MPP / dre]