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FORSCHUNG/458: Unbekannten Teilchen auf der Spur (H1 - Uni Bielefeld)


H1 - Das Magazin der Universität Bielefeld - Ausgabe 01.2006

Unbekannten Teilchen auf der Spur
Rätsel des Universums

Von Kartini Diapari


Man sieht sie nicht, man fühlt sie nicht. Auch riechen, schmecken oder hören kann man sie nicht. Und doch ist sie da: die "schwarze Materie". Seit zwei Jahrzehnten wissen Kosmologen und Teilchenphysiker um ihre Existenz und versuchen, das Geheimnis um die unsichtbare Materieform, die an der Entstehung von ganzen Galaxien beteiligt sein soll, zu lüften. Auch an der Universität Bielefeld sind Wissenschaftler der "schwarzen" oder auch "dunklen Materie" auf der Spur.


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Der Physiker Dominik Schwarz ist seit 2004 Professor in Bielefeld. Seit zehn Jahren befasst er sich bereits mit der "schwarzen Materie". Zu seinem Team zählen derzeit drei Doktoranden und drei Diplomanden. "Nur fünf Prozent der Materie, die uns umgibt, sind der Menschheit bekannt. Dabei handelt es sich um Protonen, Neutronen und Elektronen - daraus bestehen Sterne, Planeten und auch wir Menschen", sagt Professor Schwarz. Die erschreckende Feststellung: 95 Prozent der Materie ist dem Menschen folglich unbekannt. Dies faszinierte den Physiker und veranlasste ihn dazu, mehr über die Zusammensetzung des Universums zu erfahren: "Wir haben über die Jahrhunderte gelernt, dass wir nicht der Mittelpunkt der Welt sind. Jetzt kommt offensichtlich noch die Erkenntnis hinzu, dass wir nicht einmal aus dem wichtigsten Bestandteil des Universums bestehen."

Aber woher wissen Forscher, dass etwas existiert, wenn man es doch gar nicht wahrnehmen kann? "Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie setzt die Geometrie des Universums zu seiner Masse in Beziehung. Die Geometrie können wir vermessen und dann aus den Einstein'schen Gleichungen die Gesamtmasse berechnen", erklärt der Wissenschaftler. "Außerdem können wir die sichtbare Masse bestimme. Beide Ergebnisse stimmen aber nicht überein. Die vorhandene Masse ist nicht so groß, wie sie sein müsste. Fazit: Da muss es noch etwas anderes geben."


Erste Ahnungen und Erkenntnisse

Ganz ratlos sind die Physiker zum Glück nicht. Einiges ist über die Eigenschaften der "schwarzen Materie" bereits bekannt. Professor Schwarz: "Erstens: Die Teilchen haben eine Masse. Zweitens: Sie haben untereinander eine schwache oder gar keine Wechselwirkung. Drittens: Sie bewegen sich im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit relativ langsam. Und viertens: Die Teilchen sind elektrisch neutral, treten nicht mit Licht in Wechselwirkung, sie senden und verschlucken also keines. Sie sind quasi unsichtbar, daher der Begriff 'schwarze Materie'."

Seit 1998 sind Forscher außerdem zu der Erkenntnis gekommen, dass den Großteil der Masse etwas anderes bildet: die dunkle Energie. Wieso das? "Durch Studieren der Drehbewegung von Galaxien weiß man, dass sich die 'schwarze Materie' bezüglich der Schwerkraft genauso verhalten muss, wie die sichtbare Masse. Etwas wirkt jedoch anders auf die Schwerkraft, hat keine anziehende, sondern eine abstoßende Wirkung. Durch die Beobachtung von Supernovae, das sind Sternenexplosionen, wissen wir, dass die Ausdehnung des Universums nicht langsamer, sondern schneller wird. Das wäre mit 'normaler' Materie nicht möglich", erklärt der Physiker. Materie bremse nämlich mit ihrer Schwerkraft die Expansion des Raumes. Es müsse also noch eine andersartige Energie existieren, die der Materie entgegenwirkt. Der neueste Stand der Wissenschaft lautet daher: 70 Prozent sind dunkle Energie, 25 Prozent schwarze Materie und fünf Prozent bekannte, so genannte "baryonische" Materie.


Aufspüren der Teilchen

Es gestaltet sich noch sehr schwierig, etwas über die dunkle Energie zu erfahren. Dennoch gibt es in der Teilchenphysik einige Methoden, um die "schwarze Materie" zu erforschen. Wissenschaftler unterscheiden dabei zwischen direkter und indirekter Suche. "In Genf am CERN, dem europäischen Zentrum für Teilchenphysik, versucht man, die unbekannten Teilchen in Kollisionen zu erzeugen. Außerdem gibt es Untergrundlabors in der Nähe von Rom im Gran-Sasso-Massiv, in denen Forscher mit äußerst sensiblen Detektoren versuchen, eine Wechselwirkung mit der 'schwarzen Materie' nachzuweisen. Die Labors müssen dabei möglichst tief unter der Erde sein, damit Störfaktoren jeglicher Art ausgeschaltet worden", so Professor Schwarz. Beides seien Möglichkeiten der direkten Suche.

Bei der indirekten Suche werden astronomische Beobachtungen mit Hilfe von Satelliten angestellt. Physiker fanden nämlich noch etwas über die "schwarze Materie" heraus: "Die Teilchen können sich gegenseitig vernichten, wenn sie aufeinandertreffen, was allerdings sehr selten passiert. Dabei wird Licht freigesetzt. Allerdings nicht sichtbares Licht, sondern Gammastrahlung. Diese Strahlung versuchen Wissenschaftler mit Teleskopen nachzuweisen", erklärt der Physiker. Und warum werden Beobachtungen im All und nicht auf der Erde gemacht? Professor Schwarz: "In der Galaxie gibt es mehr Materie als auf der Erde. Daher ist die Wahrscheinlichkeit, dort etwas zu entdecken, wesentlich größer." Außerdem tragen so genannte Gravitationslinsen im All zum Nachweis "dunkler Materie" bei. Das funktioniert so: "Galaxienhaufen lenken Licht mit ihrem Schwerefeld ab und wirken wie gewaltige Linsen. So ist die Gesamtmasse im Galaxienhaufen ermittelbar und offenbart die gewaltigen Mengen an 'dunkler Materie'", so der Physiker.


Schritt für Schritt zur Wahrheit

In den letzten zehn Jahren seiner Forschung ist Professor Schwarz zu einigen Erkenntnissen gekommen: "Wir haben verstanden, wie die ersten Strukturen in der 'dunklen Materie' entstehen. Diese Strukturen kann man sich als Wolken 'dunkler Materie' vorstellen, die in etwa so schwer sind wie ein Planet, aber so groß wie das ganze Sonnensystem." Nun gehe es darum herauszufinden, wie viele dieser Wolken bis heute im Universum überleben. Je nachdem, wie viele dies seien, haben diese Wolken unmittelbare Auswirkung auf die indirekte Entdeckung der "dunklen Materie". "Da die 'dunkle Materie' in den Wolken in verdichteter Form vorhanden ist, ist die Wahrscheinlichkeit dort höher als woanders, die unbekannten Teilchen beim gegenseitigem Vernichten beobachten zu können", erläutert der Wissenschaftler.

Professor Schwarz und sein Team an der Uni Bielefeld haben eine theoretische Herangehensweise an die Thematik. Sie befassen sich mit der Frage, ob es nicht auch sein kann, dass es grundsätzliche Fehler in der Berechnung der Geometrie geben könnte, dass also die Differenz zwischen Soll- und Ist-Wert der Masse dann doch gar nicht so groß ist. "Die Ursache dafür könnte in der Komplexität der Einstein'schen Gravitationstheorie liegen. Unsere Beschreibung des Universums ist eine Näherung. Dabei werden Effekte vernachlässigt. Und wir müssen sicherstellen, dass diese vernachlässigten Effekte tatsächlich klein sind", erklärt Professor Schwarz. Thomas Buchert, Wissenschaftler an der Ludwig-Maximilians-Universität in München, der im Sommersemester 2006 als Gastprofessor an der Uni Bielefeld war, habe entdeckt, dass dies für den so genannten "Rückwirkungseffekt" nicht klar sei. "Wir arbeiten nun daran, die Größe dieses Effektes zu klären", so Professor Schwarz. Außerdem gibt es noch eine zweite Art und Weise, mit der sich die Wissenschaftler an der Uni Bielefeld an das Thema herantasten: "Zu dem Thema 'schwarze Materie' gibt es viele Theorien. Diese versuchen wir zu überprüfen und die falschen zu eliminieren. So kommen wir der Wahrheit Schritt für Schritt näher", sagt der Physiker


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Quelle:
H1 - Das Magazin der Universität Bielefeld
Ausgabe 01.2006, S. 16-17
Herausgeber: Pressestelle der Universität Bielefeld
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veröffentlicht im Schattenblick zum 19. September 2007