Die Suche nach dunkler Materie geht im tiefsten unterirdischem Labor der Welt, in mehr als 2400 Metern Tiefe, in die nächste Runde.

Dunkle Materie – eine unsichtbare Substanz, die irgendwie über 80 Prozent der gesamten Materie im Universum ausmacht – ist ein Phänomen, das sich den Wissenschaftlern auf frustrierende Weise entzieht. Obwohl sie seit Jahrzehnten gesucht wird und uns Hinweise auf ihre Existenz liefert, wurde die dunkle Materie noch nie direkt nachgewiesen.

Doch nun verspricht das China Jinping Underground Laboratory (CJPL), das nach seiner Ausbaustufe CJPL-II zur größten und tiefsten unterirdischen Anlage der Welt avanciert ist, die Wissenschaftler einen Schritt weiterzubringen. Es wurde Anfang Dezember 2023 in Betrieb genommen.

Das Labor wurde in wiederverwendeten Tunneln gebaut, die durch das Jinping-Gebirge in der chinesischen Provinz Sichuan führen, und liegt unter 2.400 Metern Fels begraben. Der Grund für die tiefe, einsame Lage des Labors ist, dass so viel Gestein das Hintergrundrauschen in den Daten der dunklen Materie reduzieren kann, das normalerweise durch kosmische Strahlung (ein weiteres Weltraumrätsel) verursacht wird.

Auf 330.000 Kubikmetern, beherbergt die riesige neue Anlage zwei modernisierte Detektoren für dunkle Materie. Das Labor hat auch einen außergewöhnlichen horizontalen Zugang und man kann mit einem Bus zu den Kavernen fahren. Dieser Aspekt macht den Bau großer Anlagen unter der Erde weniger kostspielig und effizienter.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass dunkle Materie sehr wohl existiert. Allerdings erfährt sie nur wenige der Wechselwirkungen, die bei geladenen Teilchen wie Protonen und Elektronen zustande kommen. Die Teilchen mit dunkler Materie sind also nur schwer zu messen. Zudem wechselwirkt dunkle Materie – im Gegensatz zur „normalen“ oder baryonischen Materie – nicht mit dem Licht und ist deshalb für uns auch völlig unsichtbar.

Im unterirdischen Labor hoffen die Wissenschaftler, dass potenzielle Teilchen der dunklen Materie mit Material in Detektoren kollidieren, die diese schwer fassbaren Teilchen aufspüren sollen. In Jinping wird diese Suche von zwei Experimenten zur dunklen Materie angeführt, den Particle and Astrophysical Xenon Experiments (PandaX)  und dem China Dark Matter Experiment (CDEX).

Potenzielle Teilchen der dunklen Materie, die mit Atomen aus flüssigem Xenon kollidieren, die vom PandaX-Detektor aufbewahrt werden, werden von den Sensoren als Lichtblitze angezeigt. Der Germanium-Detektor von CDEX, der eine höhere Empfindlichkeit aufweist, würde diese mysteriösen Teilchen als elektrische Signale anzeigen. Die Idee ist, dass selbst wenn fast jedes Teilchen der dunklen Materie an den Detektoren vorbeirauscht, mindestens eines zufällig mit einem der beiden Detektoren in Kontakt kommt.

Konkret sind die Detektoren auf der Suche nach einem führenden Kandidaten für dunkle Materie namens WIMPS (kurz für „weakly interacting massive particles“), einer hypothetischen Klasse von Teilchen, die schon vor über drei Jahrzehnten vorhergesagt wurden und den empfindlichsten Experimenten bisher entgangen sind. Ihr Vorhandensein, das nur durch die schwache Kernkraft und die Schwerkraft bekannt ist, ist Teil des Verständnisses, wie sich das Universum unserer Meinung nach entwickelt hat. Im Jahr 2021 meldeten jedoch die weltweit empfindlichsten WIMP-Detektoren am Gran Sasso National Laboratory in Italien sowie Jinping einen Nullbefund. Alle Hoffnungen werden nun auf das Jinping-Labor gesetzt.


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Bild: Ute Kraus / Spektrum.de