Was ist die Dunkle Materie und gibt es sie überhaupt?
- Particle Physics (IPA)
- Astrophysics (IPA)
Fundamentale Fragen können in Zusammenarbeit verschiedener Disziplinen meistens besser gelöst werden als aus einer einzelnen Perspektive. Ganz besonders, wenn es sich um ein Problem handelt, das schon seit Jahrzehnten trotz intensiver Forschung ungelöst bleibt: Was ist die Dunkle Materie und gibt es sie überhaupt?
Was auf den ersten Blick als ein Spezialgebiet der Grundlagenforschung für den Alltag wenig relevant scheint, fasziniert rasch auch Laien. Ein gut etabliertes Modell der Forschung beziffert im gesamten Energie-Materiehaushalt des Universums die uns bekannte und sichtbare Materie auf 4%. Weitere 25% bestehen aus Dunkler Materie und die restlichen rund 70% aus Dunkler Energie. Nach dem aktuell gelehrten Modell nehmen Forschende an, dass z.B. die sichtbare Materie in Galaxien trotz ihrer hohen Rotationsgeschwindigkeit nicht auseinanderfliegt, weil sie durch die Gravitationskraft einer unsichtbaren, nicht leuchtenden (und deswegen «dunklen») Materie zusammengehalten wird.
Enorm grosses Forschungsfeld
Es besteht weltweit ein grosses Interesse, der Lösung dieser Frage einen Schritt näher zu kommen. Heute ist nicht klar, ob das Modell mit der weiteren Forschung bestätigt wird; ob die Dunkle Materie entdeckt werden kann, oder ob das Standardmodell des Kosmos und dessen Eigenschaften in Frage gestellt werden sollen. Mögliche diskutierte Alternativen sind Modifikationen des Gravitationsgesetzes. Die Grundlagenforschung steht hier vor einem enorm grossen Forschungsfeld, das unser ganzes Weltbild auf den Kopf stellen könnte.
Verbindung von Teilchenphysik und Kosmologie
Weil die frühen Phasen des Universums von einer Suppe von Elementarteilchen dominiert wurden, und z.B. auch die kosmische Strahlung aus Elementarteilchen besteht, gibt es auf natürliche Art und Weise einen engen Zusammenhang zwischen der Astro- und der Teilchenphysik. Der Forschungsplatz Schweiz ist bereits stark in vielen der behandelten Forschungsfeldern involviert, wie z.B. Kosmologie, Astrophysik, Astroteilchenphysik, Dunkle Energie, Dunkle Materie, Gravitationswellen, Planetenentstehung, Teilchenphysik bei höchsten Energien, studiert bei Teilchenbeschleunigern, Neutrinophysik, Präzisionsmessungen bei niedrigen Energien etc. Deshalb war das Organisationsteam der ETH Zürich und Uni Zürich begeistert über die Gelegenheit, Ende August 2018 den jährlich stattfindenden internationalen Workshop "PPC 2018" zur Verbindung zwischen Teilchenphysik und Kosmologie nach Zürich zu holen. Es konnte mit dem Workshop ein prominentes Fachtreffen organisieren, an dem über 90 Forschende aus 18 Nationen teilnahmen. 2017 war der Workshop in Texas, 2019 wird er in Cartagena, Kolumbien stattfinden.
Erkenntnisse durch neue Experimente
Neben der enger werdenden Zusammenarbeit sind es auch neue Detektoren und Teleskope, die mit noch feineren Sensoren und unterschiedlichen Messstrategien neue Resultate bringen sollen. Zum Beispiel wird mit riesigen Tanks, gefüllt mit Edelgasen wie Xenon oder Argon in flüssiger Form, nach dem Durchgang von Teilchen der dunklen Materie gesucht. Nur dank der grossen Detektormassen können seltene Kollisionen unsichtbarer Teilchen mittels der Reaktion mit einzelnen Atomen im Detektor beobachtet werden.
Internationales Rennen um neue Erkenntnisse
Trotz der weltweiten grossen Konkurrenz und einem eigentlichen Rennen um erhellende Resultate, war die Stimmung am Workshop "PPC 2018" sehr kooperativ. Alle wissen, es ist neben der geduldigen Forschungsarbeit auch Glück nötig, um auf die richtige Hypothese zu setzen. Die Hoffnung ist gross, in 5–10 Jahren auf Grund des aktuellen Vorgehens relevante Antworten finden zu können, wie z.B. jener der Dunklen Materie.