Die Suche nach der unsichtbaren Masse des Kosmos treibt die weltweite Grundlagenforschung an. Bekannte Materie, die Licht aussendet oder Atomkerne zusammenhält, macht nur einen Bruchteil des Universums aus; der weitaus größte Teil entzieht sich der direkten elektromagnetischen und starken Wechselwirkung. Physiker erkennen den Einfluss dieser Materie vor allem über ihre Gravitationswirkung. Im Standardmodell der Elementarteilchen haben Forschende keine Erklärung, können aber ausschließen, dass es sich bei der Dunklen Materie um ein bereits bekanntes Teilchen handelt. Die möglichen Bausteine sind vielfältig; neben superschweren Neutrinos und Axionen, die milliardenfach leichter als Elektronen sein könnten, werden auch WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) als Kandidaten gehandelt, die eine tausendfach größere Masse als Protonen haben könnten. Weitere Möglichkeiten sind primordiale Schwarze Löcher, die sich mit dem Urknall gebildet haben könnten, oder die Hypothese, dass gar keine Dunkle Materie nötig ist, sondern sich die Gravitationsgesetze auf großen kosmischen Skalen ändern.
Das XENONnT-Experiment im Gran-Sasso-Massiv
Tief unter der Erdoberfläche im italienischen Apennin arbeiten Wissenschaftler an einem der empfindlichsten Detektoren weltweit. Abgeschirmt durch das 1 400 Meter dicke Gestein des Gran-Sasso-Massivs liegt das unterirdische Labor Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), das hochenergetische kosmische Strahlung von den empfindlichen Messgeräten fernhält.
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An dem Projekt XENONnT als bisher größtem und empfindlichstem Experiment in den LNGS sind etwa 180 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus weltweit mehr als 20 Institutionen beteiligt. Aus Deutschland unterstützen Forschungsgruppen des KIT, der Universitäten Freiburg, Mainz und Münster sowie des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg das Experiment. Als vielversprechender Kandidat gelten sogenannte WIMPs, deren theoretische Modelle eine niedrige Wechselwirkungsrate und eine Entstehung im frühen Universum vorhersagen.
„WIMPs sind seit langem ein so attraktiver und viel gesuchter Kandidat, weil die theoretischen Modelle, die ihre Existenz vorhersagen, zwei sehr wichtige Eigenschaften vereinen: die erwartete sehr niedrige Wechselwirkungsrate dieser Teilchen und ihr Vorhandensein schon im frühen Universum in genau der richtigen Menge, um den fehlenden Beitrag zur Energiedichte des Kosmos zu erklären.“
Um extrem seltene Reaktionen und Kollisionen zwischen Dunkler Materie und Atomkernen nachzuweisen, nutzen die Forscher bei XENONnT fast zehn Tonnen hochreines, bei -100 Grad Celsius verflüssigtes Xenon-Gas in einem Edelstahltank. Dieser ist mit 500 hochempfindlichen Lichtsensoren bestückt.
Theoretische Modelle zur Axionen-Erzeugung im Teilchenbeschleuniger
Beschleuniger könnte Dunkle-Materie-Kandidaten aus dem Vakuum erzeugen
Neben Detektoren unter Tage befassen sich Physiker mit theoretischen Mechanismen zur Erzeugung alternativer Kandidaten wie Axionen. Neuere Modellrechnungen von Robert Klatt vom 25. September 2026 zeigen, dass ultraperiphere Kollisionen schwerer Ionen, bei denen die Kerne stark beschleunigt aneinander vorbeifliegen, einen Weg eröffnen könnten, um Axionen zu erzeugen.
Wenn sich ein Atomkern beschleunigt, bewegt sich auch der Bereich, in dem das Quarkkondensat und damit das Axionpotenzial verändert sind. Diese zeitliche Veränderung regt nach der Theorie Vakuumfluktuationen des Axionfelds an und wandelt sie in ein verschränktes Paar realer Axionen um. Physiker vergleichen diesen Prozess mit dem dynamischen Casimir-Effekt oder dem Unruh-Effekt, bei dem ein beschleunigter Beobachter das Vakuum als thermisch wahrnimmt.
Den Berechnungen zufolge ergibt sich für einen Eisenkern und eine angenommene Axionmasse von zehn Megaelektronenvolt (MeV) beispielsweise ein Wirkungsquerschnitt von rund 40 Mikrobarn, während Vakuumfluktuationen selbst ohne reale Axionen zusätzlich eine Casimir-artige Anziehung zwischen Kernen erzeugen würden. Die Paarerzeugung wäre der Rechnung zufolge am stärksten, wenn beide Axionen in dieselbe Richtung emittiert werden. Bislang handelt es sich dabei jedoch um eine theoretische Möglichkeit und noch keinen experimentell beobachteten Produktionskanal, wobei die Erzeugungswahrscheinlichkeit pro Kollision klein bleibt.
„Wir sind nun auf der Suche nach neuen, bisher unentdeckten Teilchen, die uns auch zu einem neuen Verständnis der Teilchenphysik führen könnten.“
Ob WIMPs im verflüssigten Xenon detektiert oder Axionen in künftigen Beschleunigerexperimenten nachgewiesen werden können, bleibt Gegenstand intensiver Forschungen. Ein künftiger experimenteller Test müsste vor allem klären, wie groß die Paarproduktion in realistischen Schwerionenkollisionen tatsächlich ist und welche messbare Signatur sie hinterlässt.
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