Direkt zum Inhalt

Teilchenphysik: Dunkle Materie gesehen, wo wahrscheinlich keine ist

Beobachtungen dieser mysteriösen Substanz in einem Experiment ließen sich bislang nicht wiederholen. Die Signale könnten das Ergebnis falsch interpretierter Daten sein.
Die Kristalle des Cosine-100-Experiments
Natriumjodidkristalle im Inneren des Cosine-100-Detektors in Südkorea fangen Dunkle Materie auf - so zumindest der Plan. Das Experiment wurde 2016 in Betrieb genommen.

Ein unterirdisches Experiment in Südkorea »sieht« Dunkle Materie, die durch die Erde strömt – oder auch nicht, je nachdem, wie die Daten ausgewertet werden. Die Ergebnisse der Versuche, die ein Forschungsteam am 10. August auf dem Preprint-Server arXiv veröffentlicht hat, schüren neue Zweifel an der jahrzehntealten Behauptung, ein anderes Experiment habe die mysteriöse Substanz entdeckt.

Die Wissenschaftler um Hyun Su Lee, Leiter des südkoreanischen Cosine-100-Experiments, zeigen in ihrer Arbeit, dass sie saisonale Fluktuationen erzeugen können, wenn sie ihre Messdaten auf eine bestimmte Art analysieren. Zuvor hatten andere Physiker eine solche Fluktuation als ein Erkennungsmerkmal für Dunkle Materie vorgeschlagen, jener unsichtbaren, aber allgegenwärtigen Substanz, von der man annimmt, dass sie im Universum fünfmal so häufig vorkommt wie gewöhnliche Materie.

»Wenn man die falsche Methode anwendet, kann man Schwankungen in den Daten sehen, wo es keine gibt«, sagt Nicola Rossi, ein experimenteller Teilchenphysiker am Gran Sasso National Laboratory in der Nähe von L'Aquila, Italien, der diese Erklärung erstmals im Jahr 2020 vorgeschlagen hat.

Jährlich periodische Schwankungen

Seit mehr als zwei Jahrzehnten meldet das Experiment Dama/Libra, kurz für Dark Matter/Large Sodium Iodide Bulk for Rare Processes, das am Gran Sasso National Laboratory angesiedelt ist, jährliche Schwankungen der von den Natriumjodidkristallen seines Detektors registrierten Signale. Die Anzahl dieser Ereignisse erreicht ihren Höhepunkt im Juni und ihren Tiefpunkt im Dezember, genau wie es die Forscher theoretisch erwarten, wenn Teilchen der Dunklen Materie die Milchstraße durchdringen. Das liegt daran, dass die Erde vom Mittelpunkt unserer Galaxie aus gesehen im Juni ihre Höchstgeschwindigkeit erreicht. Deshalb treffen zu diesem Zeitpunkt mehr Dunkle-Materie-Teilchen auf den Dama/Libra-Detektor – so wie auch mehr Insekten auf die Windschutzscheibe eines Autos prasseln, wenn sich das Auto schneller bewegt.

Aber keines der vielen anderen Experimente, die sich mit der Suche nach Dunkler Materie beschäftigen, hat bisher Signale gesehen, die mit denen von Dama/Libra kompatibel sind. Um die Behauptung auf den Prüfstand zu stellen, begannen Physiker Mitte der 2010er Jahre mit dem Bau von Detektoren, die aus dem gleichen Natriumjodidkristall bestehen. Vorläufige Ergebnisse von zweien dieser Experimente, Cosine-100 im Yangyang-Untergrundlabor in Südkorea und Anais-112 im Canfranc-Untergrundlabor in den spanischen Pyrenäen, konnten den Effekt nicht reproduzieren.

Obwohl die meisten Physiker die Dama/Libra-Ergebnisse als sehr wahrscheinlich falsch abgetan hatten, blieb bislang die Frage offen, warum das italienische Experiment ein periodisches Auf und Ab der aufgezeichneten Ereignisse verzeichnet. Im Lauf der Jahre wies die Kollaboration eine Reihe von Erklärungsvorschlägen überzeugend zurück.

Kein konstantes Hintergrundrauschen

Im Jahr 2020 stellten Nicola Rossi und seine Kollegen bei der Lektüre von Fachartikeln der Dama/Libra-Kollaboration fest, dass die gemeldeten Fluktuationen stets vor einem Hintergrundrauschen auftraten, das das Team als experimentelle Artefakte abtat, wie etwa Radioaktivitätsquellen im Labor oder im Detektor selbst.

Wenn der Hintergrund aber nicht das ganze Jahr über absolut konstant ist, könnte dies »ein gefährlicher Ansatz« sein, schreiben Rossi und seine Mitautoren . Der Windschutzscheiben-Effekt sollte dem Hintergrundrauschen einen sinusförmigen Term hinzufügen. Die genaue Art und Weise, wie der Hintergrund modelliert und subtrahiert wird, könnte jedoch die Interpretation der Daten beeinflussen und möglicherweise ein falsches Signal der Dunklen Materie erzeugen.

Um die Hintergrundblitze zu subtrahieren, mittelt das Dama/Libra-Team sie über jedes Jahr. Das könnte dazu geführt haben, dass die Anzahl der verbleibenden Ereignisse wie eine Sägezahnwelle aussieht. Da reale Datenpunkte häufig verrauscht sind, lassen sich die Fluktuationen leicht mit der Art von Sinuswelle verwechseln, die man bei Dunkler Materie erwartet, schreiben Rossi und seine Kollegen in ihrem Bericht von 2020. Die Forscher nutzten simulierte Daten, um zu zeigen, dass sie ebenfalls ein falsches Dunkle-Materie-Signal erzeugen konnten, wenn die Anzahl der Hintergrundblitze mit der Zeit langsam anstieg.

Messung nachgestellt – mit anderem Ergebnis

Die Cosine-100-Kollaboration hat nun eine ähnliche Analyse der von ihren Kristallen gesammelten Daten durchgeführt. »Wir können mit unserer Analyse ein Dama/Libra-ähnliches Signal erzeugen, aber unser Zeitverlauf geht in die entgegengesetzte Richtung«, sagt Hyun Su Lee. Mit anderen Worten: Da das Hintergrundrauschen bei dem in Südkorea ansässigen Experiment auf natürliche Weise abnimmt, ist die Anzahl der Dunkle-Materie-Teilchen Anfang Dezember am höchsten und Anfang Juni am niedrigsten.

Daraus ergibt sich ein Dilemma. Dunkle-Materie-Detektoren und andere physikalische Experimente haben oft mit Verunreinigungen ihrer radioaktiven Materialien zu kämpfen. Wenn diese altern und die radioaktiven Isotope zerfallen, wird der Hintergrund allerdings tendenziell leiser, nicht lauter. »Ein verstärktes Hintergrundrauschen ist ziemlich unnatürlich«, sagt Lee. Dennoch vermuten Rossi und sein Team, dass einige Effekte, wie etwa radioaktive Verunreinigungen, die sich langsam von außen in den Detektor einschleichen, prinzipiell einen zunehmenden Hintergrundeffekt verursachen könnten.

»Wie dem auch sei: Die Tatsache, dass die Datenanalyse eine ungewollte Fluktuation erzeugt hat, scheint mir eine potenziell gute – und vielleicht sogar wahrscheinliche – Erklärung für die Dama/Libra-Behauptungen zu sein«, sagt Dan Hooper, ein Spezialist für Dunkle Materie an der University of Chicago in Illinois.

Rita Bernabei, Sprecherin von Dama/Libra, äußert Zweifel. »Da der Dama/Libra-Detektor vor Jahrzehnten gebaut wurde und seither unter der Erde aufbewahrt wird, ist der radioaktive Hintergrund stabiler als bei kürzlich gebauten Experimenten«, sagt die Physikerin von der Universität Tor Vergata in Rom. »Wenn es einen kleinen hypothetischen Beitrag durch eine abnehmende Rate gäbe, könnte er die beobachtete Modulationsamplitude verkleinern, aber er würde niemals ein positives Signal erzeugen, wie wir es beobachten«, fügt sie hinzu. Die Kollaboration hat auch die Argumente der Gruppe von Rossi in einem Paper zurückgewiesen und deren Annahmen als unhaltbar und die Schlussfolgerungen als wertlos bezeichnet.

Mehr Datentransparenz gefordert

Die Physikergemeinschaft hat das Dama/Libra-Team wiederholt aufgefordert, mehr Daten offenzulegen und insbesondere die Gesamtzahl der Signale zu nennen. Bernabei sagt, dass dies keine nützlichen Informationen liefert. Nicola Rossi dagegen meint, die zusätzliche Transparenz könne sich sogar vorteilhaft für die Kollaboration auswirken: Sollte sich die Gesamtzahl der Hintergrundblitze als zeitlich konstant erweisen, würde dies die Behauptung des Teams, eine sinusförmige Fluktuation zu sehen, glaubwürdiger machen. »Wenn die Dama-Kollaboration offener gewesen wäre, hätte man dies schon vor langer Zeit herausfinden können«, sagt auch Dan Hooper.

Unterdessen gehen die Versuche, Dunkle Materie zu beobachten, weiter. Anfang dieses Monats hätten die Wissenschaftler des Anais-112-Experiments die fünfjährige Datensammlung abgeschlossen und arbeiteten nun an der Analyse, sagt Sprecherin Maria Luisa Sarsa von der Universität Saragossa in Spanien. Die Daten sind so präzise, dass sie in der Lage wären, das Dama/Libra-Ergebnis mit hoher statistischer Sicherheit auszuschließen. In einigen Jahren könnte das Konfidenzintervall dann auf fünf Standardabweichungen ansteigen – üblicherweise der Schwellenwert, ab dem ein physikalisches Ergebnis als solide angesehen wird.

Schreiben Sie uns!

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

Partnerinhalte