Zwei neue Veröffentlichungen lassen es unwahrscheinlich erscheinen, dass das Rätsel der Dunklen Materie bald gelöst sein könnte. Astronomen vermuten die für das menschliche Auge unsichtbare Materieform an vielen Stellen im Universum; insgesamt soll sie im All fünfmal so häufig sein wie der Stoff, aus dem Sterne, Planeten und Menschen bestehen. Aktuell gehen die meisten Physiker davon aus, dass die Dunkle Materie aus so genannten WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) besteht: Elementarteilchen, die zwischen 10- und 1000-mal schwerer als ein Proton sind und nur über die Schwerkraft sowie die schwache Kernkraft mit sichtbarer Materie interagieren.

Hin und wieder müssten WIMPs mit Atomkernen auf der Erde kollidieren. Doch der bisher sensitivste Detektor für solche Zusammenstöße hat keinen Hinweis darauf gefunden, dass sie das tun. Das schreiben die Forscher der LUX-Kollaboration in einem Aufsatz. Das Large Underground Xenon Experiment (LUX) ist seit April 2013 in Betrieb. Der Detektor versucht Zusammenstöße von WIMPs und Atomkernen in einem mit 370 Kilogramm flüssigem Xenon gefüllten, bierfassgroßen Zylinder nachzuweisen. Das Xenon wird abgeschirmt von einem sieben Meter breiten Wassertank und befindet sich in der Sanford Underground Research Facilitiy in South Dakota, wo nur wenige kosmische Strahlung die Messungen stört.

Kein Signal weit und breit

Doch an 83 Messtagen fanden die Forscher kein Signal, das sie eindeutig einem Zusammenstoß zwischen WIMP und Atomkern zuordnen können. Damit bestätigen sie das Ergebnis der Xenon100-Kollaboration, die bis vergangenes Jahr einen Detektor im Gran-Sasso-Untergrundlabor betrieben hat und ebenfalls keine Hinweise auf WIMPs fand. Xenon100 und LUX stehen nun gemeinsam im Widerspruch zu mehreren Experimenten, die in den vergangenen Jahren vermeintliche WIMP-Signale aufgefangen hatten, darunter die Detektoren DAMA/LIBRA, CoGeNT und CRESST – die aber zum Teil bis zuletzt nicht ausschließen konnten, dass Umwelteinflüsse ihre Messungen störten. Kompatibel sind die Ergebnisse der Gruppe nur, wenn WIMPs allein mit den Atomkernen bestimmter Elemente wechselwirken und Xenon nicht dazugehört.

Auch eine neue Veröffentlichung in den "Physical Review Letters" kann als Rückschritt für die Jäger der Dunklen Materie ausgelegt werden. Vergangenen April hatte der Detektor AMS-02 auf der Internationalen Raumstation einen Überschuss an Positronen im Weltall bestätigt, auf den in den Jahren zuvor bereits zwei andere Weltraumexperimente gestoßen waren. Als mögliche Erklärung brachte die NASA vor, dass die Antimaterieteilchen bei der Annihilation oder beim Zerfall von WIMPs an den Rändern der Milchstraße entstehen.

Das Ergebnis der fünf Theoretiker, darunter Thorsten Bringmann von der Universität Hamburg und Christoph Weniger von der Universität Amsterdam, schließt nun einige der beliebten Szenarien aus: darunter jenes, dass leichte WIMPs mit einem Gewicht von zehn Gigaelektronvolt (der Massebereich, in dem CoGeNT, CRESST und DAMA/LIBRA Hinweise auf WIMP-Atomkern-Zusammenstöße fanden) von Zeit zu Zeit in ein Elektron und ein Positron zerfallen. Damit würden mögliche Modelle mit leichten WIMPs erheblich eingeschränkt, schreiben die Forscher. So erscheinen andere Szenarios wahrscheinlicher: dass Pulsare in der Nähe der Erde die überschüssigen Positronen ausgespuckt haben oder dass die Antiteilchen in den Schockwellen von Supernova-Explosionen erzeugt worden sind.