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Teilchenphysik: Auf der Jagd nach der Dunklen Materie

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Nie zuvor waren Physiker dem Ziel näher, die Quelle der Dunklen Materie des Universums zu finden. Äußerst energiereiche Protonenkollisionen im Large Hadron Collider (LHC) des CERN in Genf sollen die ersten Augenblicke des Universums simulieren. Die Resultate, die im zurückliegenden Forschungsjahr mit dem CMS-Teilchendetektor (Compact Muon Solenoid) gesammelt wurden, sind vielversprechend. Beinahe mit Lichtgeschwindigkeit rasen die Protonen im ringförmigen Beschleuniger gegenläufig aufeinander zu.
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Das CMS-Experiment am CERN | Das CMS-Experiment ist ein Teilchendetektor des Large Hadron Collider am CERN. In seinem Herzen stoßen Protonen mit einigen Teraelektronvolt Kollisionsenergie zusammen. Dabei entstehen neue Teilchen, die in alle Richtungen davonfliegen und vom CMS-Detektor nachgewiesen werden.
Den ersten Durchlauf an Experimenten mit Proton-Proton-Kollisionen haben die Wissenschaftler am CERN mittlerweile erfolgreich durchgeführt.

Am 30. März 2010 kollidierten die ersten Protonen mit einer Strahlenergie von 3,5 und einer totalen Kollisionsenergie von 7 Teraelektronvolt. Diese erste Kollision bei derart hohen Energien markierte den Startpunkt der Suche nach exotischen Teilchen, Dunkler Materie und winzigen Schwarzen Löchern. Vor der Ära des Large Hadron Collider lagen die höchsten Kollisionsenergien bei knapp zwei Teraelektronvolt und wurden während Teilchenzusammenstößen im Tevatron, einem kreisförmigen Beschleuniger des Fermi National Accelerator Laboratory in den Vereinigten Staaten, erreicht. Mit dem Large Hadron Collider sind gar Kollisionsenergien bis zu 14 Teraelektronvolt möglich.

So dicht wie unmittelbar nach dem Urknall

Wenn die Protonen im Herzen des CMS-Detektors aufeinander treffen, entstehen Energien und Dichten, wie sie vor 13,7 Milliarden Jahren in den ersten Sekunden des Universums unmittelbar nach dem Urknall herrschten. Solche Voraussetzungen könnten zur Erzeugung von Teilchen führen, die nur in diesen ersten Augenblicken existierten und danach verschwanden. Die Forscher scheinen auf gutem Weg zu sein, eine der grundlegendsten Theorien, die Theorie der Supersymmetrie (SUSY), im Idealfall zu bestätigen oder für immer zu widerlegen. Noch besteht die Hoffnung, dass SUSY das Standardmodell der Teilchenphysik verallgemeinern könnte. Dieses beschreibt zwar die Wechselwirkungen zwischen den bekannten Elementarteilchen, versagt aber dabei, die Dunkle Materie und Dunkle Energie zu erklären.

Existierte für jedes Teilchen mit ganzzahligem Spin (Boson) ein Teilchen mit halbzahligem Spin (Fermion), das sich in seiner Masse und Quantenzahlen nicht unterscheidet, der so genannte Superpartner, und umgekehrt, dann wäre die Supersymmetrie ungebrochen. Da sich die Superpartner der Teilchen des Standardmodells nicht beobachten lassen, muss die Supersymmetrie, sofern sie denn existiert, gebrochen sein. In diesem Fall dürften die Superpartner schwerer sein als ihre Entsprechungen im Standardmodell und könnten bei genügend hohen Energien erzeugt und nachgewiesen werden.

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Spuren zweier Teilchenjets | Ein im CMS-Experiment nachgewiesenes Jet-Ereignis: Die roten und blauen Säulen stehen für die im Detektor abgegebene Energie. Die gelben Linien sind die gemessenen Spuren der Teilchen. Um die Supersymmetrie zu belegen, suchen die Forscher am CERN nach Kollisionen, bei denen Teilchenjets wie solche in dieser Abbildung entstehen.
Die mysteriöse Dunkle Materie ist eine unsichtbare Substanz, die sich nicht direkt nachweisen läßt. Ihre Existenz folgt aus der Rotation von Galaxien. Physiker vermuten, dass sie ein Viertel der gesamten Masse des Universums ausmacht. Die am CMS in Proton-Proton-Kollisionen freigesetzte Energie äußert sich in produzierten Teilchen, die in alle Richtungen davonfliegen.

In den meisten Kollisionen werden bekannte Teilchen erzeugt, in seltenen Fällen könnten aber neue entstehen, einschließlich der Superpartner, die vom SUSY-Modell vorhergesagt werden. Der leichteste Superpartner ist ein natürlicher Kandidat für Dunkle Materie, da er stabil ist. Der CMS könnte dieses Teilchen nur durch das Fehlen seines Signals im Detektor und dem resultierenden energetischen Ungleichgewicht nachweisen. Um solche Teilchen zu finden, sucht das CMS-Experiment nach Kollisionen, bei denen zwei oder mehr hochenergetische Teilchenjets entstehen und deutlich Energie zu fehlen scheint.

Unzählige Proton-Proton-Kollisionen wurden nun untersucht und tatsächlich dreizehn Kandidaten für SUSY-Teilchen gefunden. Von den kommenden CMS-Experimenten in diesem Jahr erhoffen sich die Wissenschaftler des CERN, dass die Daten die Theorie der Supersymmetrie als Erklärung für Dunkle Materie untermauern. (rh)

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