Das Dunkle Universum

Es mag unglaublich klingen: Der Stoff, aus dem wir selbst und unsere Umgebung bestehen, ist im Universum offenbar eher die Ausnahme als die Regel. Materie aus Atomen macht nur etwa ein Sechstel der Gesamtmasse des Universums aus – zu diesem Schluss kommen Forscher aufgrund vieler astrophysikalischer Beobachtungen. Beispielsweise rotieren Spiralgalaxien so schnell, dass sie nicht zusammenhalten könnten, wenn sie nur aus bekannter Materie bestünden; und um die riesigen Ausmaße der beobachteten Galaxienansammlungen zu erklären, reicht die Schwerkraft der normalen Materie bei weitem nicht aus. Doch woraus besteht der Rest der Masse im Universum? Offenbar handelt es sich um bisher unbekannte Teilchen, die sich nicht mithilfe von Licht oder anderer elektromagnetischer Strahlung sichtbar machen lassen –  sogenannte Dunkle Materie.  

Am Teilchenbeschleuniger LHC, an Bord der internationalen Raumstation ISS und anderen Forschungseinrichtungen wird nach Teilchen gefahndet, die als Kandidaten für Dunkle Materie in Frage kommen, sowie nach bisher unbekannten Kräften, die zwischen ihnen wirken. Der MESA-Beschleuniger soll mit dem Vielzweckspektrometer MAGIX zur Suche nach Dunklen Photonen beitragen. 

Die Suche nach Dunklen Photonen

Viele Messungen zeigen, dass Dunkle Materie nicht aus den bisher bekannten Teilchen bestehen kann – also müssen neue Ideen her. Es könnte sich beispielsweise um sehr massereiche Teilchen handeln, die nur schwach mit normaler Materie wechselwirken – sogenannte WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles).

Bestimmte Theorien, insbesondere supersymmetrische Modelle, sagen die Existenz solcher Teilchen voraus; in der Tat könnte jedes der bekannten Teilchen des Standardmodells einen oder mehrere schwerere „Doppelgänger“ haben. Einige Modelle sagen auch neue Kräfte mit photon-ähnlichen Überträgerteilchen voraus.    

Nach solchen sogenannten Dunklen Photonen wollen Forscher am MESA-Beschleuniger suchen. Im Gegensatz zu normalen Photonen hätten Dunkle Photonen eine Masse und wären nur indirekt messbar, nachdem sie - wie normale Photonen - in Elektronen und Positronen (die Antiteilchen der Elektronen) zerfallen sind. Diese Zerfallsprodukte würden sich mithilfe von MAGIX nachweisen lassen.

Wenn Dunkle Photonen existieren, dürften ihre Zerfälle extrem selten sein. Daher ist die Suche nach ihnen erst in neuerer Zeit mit Beschleunigern wie MESA sinnvoll durchführbar, die eine sehr hohe Strahlintensität aufweisen: Sehr viele Teilchenkollisionen finden in relativ kurzer Zeit statt. Die interessanten Ereignisse werden aus der Vielzahl anderer Zerfälle über lange Beobachtungszeiträume herausgefiltert.