Physiker prüfen neue Wege, um hypothetische Dunkle-Materie-Teilchen wie Axionen mithilfe von Schwerionenkollisionen im Vakuum zu erzeugen. Währenddessen läuft die Suche nach WIMPs im Untergrundlabor am Gran Sasso auf Hochtouren, wie aktuelle Forschungen und Experimente im September 2026 zeigen.
Die Natur der Dunklen Materie gibt der modernen Physik weiterhin Rätsel auf. Da sie weder Licht aussendet noch über die starke Wechselwirkung an Atomkerne gebunden ist, entzieht sie sich der direkten Beobachtung und verrät sich vor allem durch ihre Gravitationskraft. Im Standardmodell der Elementarteilchen existiert bislang keine geschlossene Erklärung für dieses Phänomen, weshalb Forschende weltweit nach bisher unentdeckten Bausteinen suchen.
Wir sind nun auf der Suche nach neuen, bisher unentdeckten Teilchen, die uns auch zu einem neuen Verständnis der Teilchenphysik führen könnten.
Kathrin Valerius, Wissenschaftlerin
Das XENONnT-Experiment im Gran-Sasso-Massiv
Zu den aussichtsreichsten Kandidaten für Dunkle Materie zählen sogenannte WIMPs, was für Weakly Interacting Massive Particles steht. Diese hypothetischen Teilchen faszinieren die Fachwelt, weil ihre theoretischen Eigenschaften exakt in jene Muster passen, die den kosmischen Energiehaushalt erklären könnten. Dr. Klaus Eitel, Leiter der Gruppe Dunkle Materie und Neutrinos am IAP, fasst diese Faszination zusammen: 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 diese extrem seltenen Reaktionen aufzuspüren, betreiben Wissenschaftler gigantische Detektoren in stark abgeschirmten Umgebungen. Tief unter dem Gran-Sasso-Massiv in Italien beherbergen die Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) das Experiment XENONnT. Dort schirmen rund 1.400 Meter Gestein die störende kosmische Strahlung von außen ab. An dem Projekt arbeiten etwa 180 Forschende aus mehr als 20 Institutionen weltweit zusammen, darunter Gruppen aus Deutschland wie dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), den Universitäten in Freiburg, Mainz und Münster sowie dem Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg.
Technologie und Lichtblitze im flüssigen Xenon
Das Herzstück des Detektors arbeitet unter extremen physikalischen Bedingungen. Das XENONnT-Experiment nutzt fast zehn Tonnen hochreines Xenon-Gas, das bei minus 100 Grad Celsius verflüssigt in einem Edelstahltank ruht. Umgebend erfassen 500 hochempfindliche Lichtsensoren jede winzige Veränderung im Medium.
Kollidiert ein WIMP mit einem Xenon-Kern, gibt der Atomkern Energie ab, regt die umgebenden Atome an und erzeugt einen ersten Lichtblitz. Gleichzeitig werden Elektronen freigesetzt, die durch ein elektrisches Feld zur Oberfläche wandern und dort in einer dünnen Gasschicht einen zweiten Lichtblitz auslösen. Die Auswertung beider Signale erlaubt Rückschlüsse auf das Stoßereignis und liefert Hinweise auf die Masse des gesuchten Teilchens.
Axionen aus Vakuumfluktuationen in Schwerionenkollisionen
Neben WIMPs stehen auch andere theoretische Bausteine im Fokus, darunter ultraleichte Axionen. Neue theoretische Berechnungen zeigen, dass sich solche Teilchen unter spezifischen Bedingungen direkt aus Quantenfluktuationen im Vakuum erzeugen lassen könnten. Wenn Atomkernen stark beschleunigt aneinander vorbeifliegen – etwa bei ultraperiipheren Schwerionenkollisionen –, verändert sich das zugrundeliegende Axionpotenzial zeitlich.
Dieser Effekt ähnelt dem dynamischen Casimir-Effekt, bei dem dynamische Veränderungen eines Quantensystems reale Teilchen aus dem Vakuum freisetzen. Die mathematischen Modelle ergeben für bestimmte Konstellationen messbare Wirkungsquerschnitte, stehen jedoch vor der Herausforderung, dass die theoretischen Näherungen bei sehr großen Effekten an ihre Grenzen stoßen. Ein experimenteller Nachweis dieser im September 2026 diskutierten Erzeugungswege steht daher noch aus und erfordert präzisere künftige Analysen.
Verwandte Artikel
