Vielleicht muss man sich die Suche nach Dunkler Materie wie die Jagd nach einem interstellaren Superschurken vorstellen. Momentan fahnden Physiker vor allem nach einem adipösen Mafioso, Mr. Wimp ist sein Name. Hinter ihm soll sich ein nur extrem schwach wechselwirkendes, aber sehr beleibtes Elementarteilchen verbergen. Trotz intensiver Suche finden Physiker jedoch einfach keine Spur von ihm. Die Lage ist so verzwickt, dass einige von ihnen nun die Jagd auf einen anderen Schurken forcieren: den außerordentlich mageren Mr. Axion.

Die Sache mit der Dunklen Materie ist zweifellos der zäheste Fall der kosmischen Kriminalistik. Astrophysiker können das Wirken der Substanz in groben Zügen nachvollziehen: Schon kurz nach dem Urknall hat sie mit ihrer Schwerkraft die Atome gewöhnlicher Materie zusammengedrängt, vermuten die Ermittler. Und auch heute noch lässt sie Galaxien in einem Mordstempo rotieren oder zwingt diese, in Gruppen durchs All zu fliegen. Nett ist das nicht gerade.

Doch trotz jahrzehntelanger Fahndung gibt es bisher kein einziges Foto oder Messergebnis, das verrät, was sich hinter der Dunklen Materie verbirgt. Die meisten Physiker glauben, dass es ein bisher unbekanntes Elementarteilchen sein muss. Es soll anders sein als Proton, Elektron und alle weiteren uns bekannten subatomaren Partikel. Jedes reagiert auf elektromagnetische Strahlung, weshalb aus ihnen aufgebaute Atome für das menschliche Auge sichtbar werden. Die Konstituenten der Dunklen Materie hingegen sollen jede Form von Licht meiden, weshalb sie unsichtbar wären.

Gesucht seit 30 Jahren

Seit 30 Jahren ist Mr. Wimp der Hauptverdächtige für jenes sonderbare Teilchen. Laut einer populären Theorie aus den 1980er Jahren muss es ihn geben. Die so genannte Supersymmetrie ist eine ambitionierte Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik, mit dem Physiker den Mikrokosmos beschreiben. Sie entwickelte sich schnell zu einem Renner, da sie eine elegante Herleitung für die Masse des Higgs-Teilchens lieferte – deren vergleichsweise kleiner Wert ist bis heute ein konzeptionelles Problem für Physiker.

Dunkle Materie
© X-ray: NASA/CXC/UVic./A.Mahdavi et al.; Optical/Lensing: CFHT/UVic./A.Mahdavi et al.
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Die Existenz der Dunklen Materie gilt heute weitestgehend als gesichert. Alternative Erklärungen können nicht annähernd dieselbe Breite an wissenschaftlichen Befunden einfangen, die für die Dunkle Materie sprechen. Woraus sie besteht, ist hingegen noch völlig offen.

Mittlerweile ist die Supersymmetrie auch deshalb populär, weil viele ihrer zahlreichen Varianten die Existenz von "Weakly Interacting Massive Particles" voraussagen – ebenjene WIMPs, aus denen die Dunkle Materie bestehen könnte. Die Schwächlingsteilchen würden gut zum Steckbrief für die Dunkle Materie passen: Ein WIMP käme auf ein Gewicht von 10 bis 1000 Wasserstoffkernen, schätzen die Forscher. Außerdem würden die Partikel fast nur mittels der Schwerkraft mit gewöhnlicher Materie wechselwirken.

Ein Aufsatz des angesehenen Stringtheoretikers Edward Witten zeigte 1985, wie man WIMPs auf der Erde nachweisen könnte: mit Untergrunddetektoren, in denen Atomkerne in speziellen Tanks auf die Kollision mit den massiven Teilchen warten. In solch eine Falle, so das Kalkül der Fahnder, müsste ein so fülliger Kerl wie Mr. Wimp zwangsläufig tappen.

Das Problem ist, dass der mutmaßliche Superschurke das bisher nicht getan hat. Warum, ist rätselhaft. Vielleicht ist er noch viel scheuer, als die Dunkle-Materie-Jäger bislang dachten. Sollte das so sein, könnten erst größere Fallen den interstellaren Gangsterboss stellen. Statt einiger hundert Kilogramm müssten Detektoren mehrere Tonnen des flüssigen Edelgases Xenon enthalten. Ein entsprechendes Gerät, das XENON1T-Experiment, hält seit Kurzem unter dem Gran Sasso d'Italia Ausschau.

Allerdings ist unklar, ob sich dort tatsächlich irgendwann Dunkle Materie zeigen wird. "Es könnte auch sein, dass wir mit der Suche nach WIMPs auf dem Holzweg sind", sagt Andreas Ringwald vom Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg. Er gehört zur wachsenden Gruppe jener Forscher, die an der Fahndungshypothese ihrer Kollegen zweifeln: Vielleicht zieht in Wahrheit gar nicht Mr. Wimp die Strippen im All, sondern Mr. Axion.

Das Teilchen mit dem Waschmittelnamen

Dieser wäre deutlich schlanker als der dicke Mafiosi. Statt 10 bis 1000 Millionen brächte Mr. Axion höchstens 0,001 Elektronvolt/c2 (die gängige Maßeinheit für Elementarteilchen, sie entspricht etwa 10-36 Kilogramm) auf die Waage. Denkbar sind auch unvorstellbar kleine 0,000000001 Elektronvolt. Mit klassischen Detektoren lässt sich solch ein ausgehungerter Landstreicher jedenfalls nicht fangen.

Das Wesen der Axionen
© Spektrum der Wissenschaft, nach: ADMX Group, University of Washington
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Viel Grund, sich zu zeigen, hätte Mr. Axion wohl nicht. Es ist sogar möglich, dass er eingeschnappt ist. Vor 40 Jahren wurde er als großer Star gefeiert, der dann aber weitgehend in Vergessenheit geriet. Und zu allem Übel haben ihm Menschen zudem einen Namen gegeben, für den sich ein echter Superschurke schämen dürfte. Die Bezeichnung "Axion" geht auf ein US-Waschmittel zurück, mit dem Amerikaner in den 1970er Jahren ihre Unterwäsche bleichten.

Der spätere Nobelpreisträger Frank Wilczek fand damals, dass der Name des Waschmittels auch einem Elementarteilchen gut stehen würde. Und wie der Zufall es wollte, arbeitete der US-Physiker gerade an einem Problem, bei dem so genannte "axiale Ströme" eine Rolle spielten – und dessen Lösung die Existenz eines neuen Elementarteilchens vorhersagte.

Die 1970er Jahre waren für die Physik ein goldenes Zeitalter. Fast im Jahrestakt spuckten Teilchenbeschleuniger neue Partikel aus: 1974 das Charm-Quark, 1975 das Tau-Lepton, 1977 das Bottom-Quark. Mit großem Eifer sortierten die Theoretiker diesen Teilchenzoo. Zwar gelang es ihnen, das bis heute gültige Regelwerk für den Mikrokosmos zu formulieren, das "Standardmodell der Elementarteilchenphysik".

Respekt vor dem Theta-Term

Aber bald merkten die Forscher, dass sich manche Partikel im Detail anders verhalten als erwartet. Konkret ging es um eine Situation, die ständig in Atomkernen auftritt: Quarks und Gluonen zerren mittels der starken Kernkraft aneinander. In der Gleichung, die diese Wechselwirkung beschreibt, entspricht das Gezerre einem Term, dessen Stärke von einem variablen Parameter namens "Theta" abhängt.

So ein griechischer Buchstabe klingt erst einmal harmlos. Aber der Theta-Term jagte den Physikern gehörigen Respekt ein. Für ihr Verständnis des Mikrokosmos war Theta geradezu gefährlich. Der Grund: Der Term beeinflusst die Ladungsverteilung in Atomkernen. Hat er einen Wert größer null, verleiht das selbst einem elektrisch neutralen Nukleon wie dem Neutron ein messbares elektrisches Dipolmoment.

Präzise Messungen zeigten allerdings: Das Neutron hat kein solches Dipolmoment – oder dieses ist so klein, dass man es bisher nicht messen kann. Aber wieso ist das so? Warum spielt Theta in der Natur keine Rolle, obwohl es in einer sonst korrekten Formel jeden beliebigen Wert annehmen könnte? "Ich glaube nicht, dass das Zufall ist", sagte Frank Wilczek vor Kurzem auf einem Vortrag in Stockholm.

Das Rätsel ist infolge komplizierter Symmetrieüberlegungen als "CP-Problem" der starken Kernkraft in die Geschichte der Physik eingegangen. Es traf die Wissenschaftler an einem wunden Punkt. Wenn sie etwas hassen, dann ist es das Gefühl, dass die Natur einen Parameter in ihren Gleichungen scheinbar grundlos festlegt. Sie sprechen dann von "fine-tuning", also einer wundersamen Feinabstimmung der Natur, hinter der sich bisher unbekannte Mechanismen verbergen könnten.

Ein Vorschlag dafür ließ nicht lange auf sich warten. 1977 präsentierten die theoretischen Physiker Roberto Peccei und Helen Quinn einen subatomaren Mechanismus, der elegant erklärte, weshalb die starke Wechselwirkung so ist, wie sie ist. Bei Theta handelt es sich demnach nicht bloß um einen Parameter, der vom Schöpfer einfach auf null gesetzt wurde. Theta ist ein quantenmechanisches Feld, das erst kurz nach dem Urknall auf null gefallen ist und heute nur noch minimal um den Nullpunkt hin- und herschaukelt.

Was ein wenig esoterisch anmutet, ist ein bewährtes Konzept in der Teilchenphysik: 1964 hatte unter anderem der Schotte Peter Higgs ebenfalls ein bis dahin unbekanntes, gänzlich unsichtbares Feld postuliert, um zu erklären, wie manche Elementarteilchen zu ihrer Masse kommen. 2012 konnten Physiker am Genfer Teilchenbeschleuniger LHC diese Vorhersage bestätigen, indem sie durch die Kollision von Atomkernen wiederholt dieses Higgs-Feld in Schwingung versetzten – und so für kurze Zeit einige der berühmten Higgs-Teilchen erzeugten.

Gottes Werk und der Axionen Beitrag

Frank Wilczek und sein Kollege Steven Weinberg hatten 1978 die Idee, dass auch zum Theta-Feld ein Teilchen gehören müsste. Weinberg wollte es "Higglet" nennen, aber Wilczek setzte sich durch. Das Axion war geboren. Und mit ihm eine Hypothese, wie es im frühen Universum zuging, als der Kosmos im Urknall entstand: In den Wehen der kosmischen Geburt geriet das Theta-Feld in Wallung. Und da der Quantentheorie zufolge jede Schwingung in einem Feld einem Teilchen entspricht, entstanden damals Myriaden von Axionen.

Nachweisverfahren für Axionen
© Spektrum der Wissenschaft, nach: ADMX Group, University of Washington
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Sie könnten bis heute überdauert haben und die Dunkle Materie erklären, wie die Physiker bereits 1983 erkannten. "Wenn es Axionen wirklich gibt, müssten sie einen signifikanten Beitrag zur Dunklen Materie leisten", sagte Wilczek in Stockholm. "Vermutlich stellen sie dann sogar den Löwenanteil."

Anfangs gingen die Forscher noch davon aus, dass Wilczeks Teilchen ähnlich bereitwillig mit anderen Partikeln interagieren müssten wie die Mitglieder des Standardmodells der Teilchenphysik. Auch sollten Axionen eine ähnliche Masse haben – sie ist wie die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit eine Eigenschaft, die Physiker nicht errechnen, sondern nur messen können. Konkret hätte eines der Waschmittelteilchen ersten Schätzungen zufolge etwa 100 000 Elektronvolt auf die Waage bringen sollten, ein Fünftel der Masse des Elektrons.

Mr. Axion wäre damit ein ziemlich gewöhnlicher Krimineller gewesen, den man leicht hätte stellen können. Experimente an Teilchenbeschleunigern, in denen er sich hätte zeigen müssen, zerschlugen diese Hoffnung in den 1980er Jahren allerdings schnell und gnadenlos. Das Axion in seiner klassischen, plausibelsten Form war damit Geschichte.

Wenn es Mr. Axion gibt, muss er eine ziemlich gute Tarnkappe benutzen, folgerten die Physiker. Die Fahnder zeichneten neue Profilbilder: Sie zeigen jene extrem mageren, gerissenen Vagabunden, nach denen die Physiker noch heute suchen, so genannte "unsichtbare" Axionen. Derart leichte Teilchen hinterlassen keine messbaren Spuren mehr auf der Erde, selbst wenn Milliarden von ihnen jeden Kubikzentimeter des Weltalls füllen und manchmal direkt in einen Atomkern auf der Erde rasen.

Nachweisbar nur auf Umwegen

Stellen könnte man Mr. Axion nur auf Umwegen: Die Gleichungen der Physiker sagen voraus, dass sich die Teilchen in extrem schwache Mikrowellenstrahlen umwandeln müssten, wenn sie durch ein sehr starkes Magnetfeld fliegen. Nach Schätzungen der Forscher würde ein Axion in so einem Fall allerdings höchstens eine Energie von 10-22 Watt in einem Detektor hinterlassen. Ein geeignetes Messgerät bestünde daher aus einem extrem starken Magneten, an den ein Hohlraumresonator angeschlossen ist, in dem Mikrowellen einer bestimmten Frequenz enorm verstärkt werden.

Aber die Technik der 1980er Jahre war nicht empfindlich genug für eine Erfolg versprechende Jagd auf Axionen. So wurde die Suche nach ihnen in den 1990er und 2000er Jahren zur Nischendisziplin. Noch 2012 beklagte sich Leslie Rosenberg, der die kleine Gruppe der amerikanischen Axionen-Pioniere am ADMX-Experiment anführte: Die WIMP-Forschung werde noch immer mit zehnmal so viel Geld gefördert wie die Suche nach Axionen. Dabei seien Axionen doch genauso spannend!

Vielleicht lag es an Rosenbergs Kampf für mehr Beachtung, vielleicht auch an der wachsenden Verzweiflung der WIMP-Jäger. Jedenfalls bekam eine ambitionierte Erweiterung von ADMX, dessen 28-köpfigem Team Rosenberg vorsteht, im Jahr 2014 den Zuschlag vom US-Energieministerium und der National Science Foundation, als einer von 14 Detektorvorschlägen. Nun steht das Team als eines von drei zukunftsträchtigen Dunkle-Materie-Experimenten in den USA in den Startlöchern und sucht mit einem aufgemotzten Detektor nach Axionen oberhalb von einer Masse von 24 millionstel Elektronvolt.

Auch an anderen Orten nimmt die Jagd nach Mr. Axion Fahrt auf. Ein Instrument am CERN, das einen ausgemusterten, supraleitenden Magneten des Teilchenbeschleunigers LHC in den Himmel richtet, ist seit seinem Bau 2003 immer weiter verbessert worden. Das so genannte CAST-Experiment hält nach Axionen aus der Sonne Ausschau: In den starken Magnetfeldern unseres Zentralgestirns müssten einige Lichtteilchen in Axionen umgewandelt werden und dann zur Erde reisen, so das Kalkül der Forscher.

Woher kommen die Axionen?
© Spektrum der Wissenschaft, nach Manuel Meyer, Stockholm University; Erde: NASA; Akkretionsscheibe: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser / A disc around a massive baby star (artist's impression) / CC BY 4.0 CC BY
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Langfristig planen die beteiligten Wissenschaftler, sogar eine 20 Meter lange Magnetspule auf die Sonne zu richten. Mit diesem IAXO-Observatorium hätte man wohl Chancen, schwerere Varianten der unsichtbaren Axionen aufzuspüren (ihre Masse betrüge einige tausendstel bis zehntel Elektronvolt).

In Deutschland arbeiten Forscher noch an drei weiteren Konzepten für Axionen-Detektoren. Eine der Techniken, bei der sich starkes Laserlicht beim Gang durch ein Magnetfeld in Axionen umwandeln soll, wird am Desy in Hamburg unter den Namen ALPS seit zehn Jahren erprobt. Eine stark vergrößerte und verbesserte Version namens ALPS-II könnte 2019 mit den Messungen beginnen, sagt Andreas Ringwald.

Daneben wollen Mainzer Forscher mit Kernspinresonanzspektroskopie nach winzigen Veränderungen der Kernspins von Atomen suchen, die durch die Wechselwirkung mit besonders leichten Axionen ausgelöst werden müssten. Und Münchner Physiker werben für einen Detektor namens MADMAX, der mittelschweren Axionen mit Massen zwischen 40 und 400 millionstel Elektronvolt nachspüren soll. In diesem Bereich ist jüngsten Supercomputer-Simulationen zufolge die Wahrscheinlichkeit recht hoch, auf Axionen zu treffen.

Mit all den geplanten Experimenten gebe es nun erstmals eine kohärente Strategie, die Frage nach der Existenz von Axionen ein und für alle Mal zu klären, freuten sich 2016 die Autoren eines Übersichtsartikels. Auch Ringwald ist optimistisch: "Ich glaube, dass wir in zehn Jahren den gesamten Massenbereich, in dem sich Axionen verstecken könnten, abgesucht haben werden", sagt der Hamburger Physiker.

Ob die Forscher dabei an irgendeiner Stelle fündig werden, weiß niemand. Physiker sind sich nicht einig, wie realistisch die Existenz unsichtbarer Axionen ist. Für ihre Anhänger sind die Teilchen mindestens genauso plausibel wie WIMPs. In jedem Fall sei es an der Zeit, die Natur auf diese Möglichkeit hin abzuklopfen, finden sie.

Andere Forscher sind eher der Meinung, Axionen hätten einen Teil ihres Reizes in den 1980er Jahren eingebüßt, als man sie nicht in Beschleunigern fand. Keines der seitdem konstruierten Modelle für die "unsichtbaren" Varianten der ultraleichten Partikel sei völlig überzeugend, schrieb etwa Roberto Peccei 2006 in einem Aufsatz. Ebenso wenig gebe es ein schlüssiges Argument für die Annahme, dass Axionen just so stark mit Materie wechselwirken, dass sie als Dunkle Materie in Frage kommen.

WIMPs aus dem Urknall

Das ist auch für Manfred Lindner, Direktor am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, ein Schwachpunkt der Axionen-Hypothese: "Selbst wenn es Axionen gibt, ist die Frage, ob ihre Menge stimmt. Es könnte auch zu viele oder viel zu wenige geben, um die Dunkle Materie zu erklären", sagt Lindner, einer der leitenden Wissenschaftler des internationalen XENON1T-Projekts, das vornehmlich nach WIMPs sucht.

Für die massiven Dunkle-Materie-Kandidaten gibt es aus Lindners Sicht ein sehr starkes Argument, das für Axionen nicht gilt: Simulationen der Entwicklung des Kosmos zeigen, dass man genau zu der heute im All beobachteten Dunkle-Materie-Dichte gelangt, wenn man ein Teilchen mit den Eigenschaften eines WIMPs im Urknall entstehen lässt – Physiker sprechen vom "WIMP miracle".

Und was ist dann mit dem CP-Problem der starken Kernkraft? Vielleicht hat die Natur den Theta-Term einfach so auf null gesetzt, ohne dass ein neues Feld und Teilchen dahintersteckt, mutmaßen Kritiker der Axionen-Hypothese. So etwas habe man in der Geschichte der Physik immer wieder erlebt, erläutert Manfred Lindner: Theoretiker erarbeiten eine mathematisch ästhetische Vorhersage – doch die Natur hat sie einfach nicht verwirklicht. "Ästhetik ist manchmal ein guter Ratgeber", sagt Lindner. "Manchmal aber auch nicht."

Es gibt ein weiteres Szenario, das Physiker immer wieder diskutieren: Vielleicht besteht die Dunkle Materie nicht bloß aus einer bisher unbekannten Teilchenart, sondern aus mehreren. "Wieso sollte der Dunkle Sektor der Natur so primitiv sein, wo es bei gewöhnlicher Materie solch eine Vielzahl an verschiedenen Teilchen gibt?", sagt Andreas Ringwald. Oder anders formuliert: Vielleicht machen Mr. Wimp und Mr. Axion in Wirklichkeit gemeinsame Sache. Damit wären die meisten Teams der kosmischen Kriminalistik auf der richtigen Fährte. Gestellt sind die interstellaren Superschurken damit aber noch lange nicht.