Dunkle Materie: Ein Ereignis, das niemand erklären kann

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Alles, was Menschen je gesehen haben, macht knapp fünf Prozent des Universums aus. Sterne und Planeten gehören dazu, Gaswolken, auch wir selbst. Der große Rest gibt kein Licht ab und verschluckt keines, er verrät sich einzig durch seine Schwerkraft. Ungefähr ein Viertel davon nennen Physiker dunkle Materie, und sie versuchen seit neunzig Jahren, ein einzelnes Teilchen davon zu erwischen. Anfang September hat ein Experiment tief unter South Dakota gemeldet, dass in 220 Messtagen genau ein Ereignis aufgetaucht ist, für das es keine Erklärung gibt.

Die Auswertung steht als Preprint der LZ-Kollaboration frei im Netz: Search for dark matter particle interactions in an extended nuclear recoil energy window with the LUX-ZEPLIN (LZ) experiment (PDF, englisch, 1. September 2026).

Was in der Mine passiert ist

Das Experiment heißt LUX-ZEPLIN, abgekürzt LZ, und der Doppelname stammt von zwei Vorgängern. LUX stand am selben Ort in South Dakota und arbeitete mit deutlich weniger Xenon, ZEPLIN lief in einem britischen Untergrundlabor in einer Salzmine an der Küste von Yorkshire. 2012 legten die beiden Gruppen ihre Arbeit zusammen und bauten daraus ein gemeinsames, größeres Gerät.

In der Mitte dieses Geräts steht ein Tank mit sieben Tonnen flüssigem Xenon, tief genug unter der Erde, dass die Strahlung aus dem All ihn nicht mehr erreicht. Trifft dort ein Teilchen einen Xenonkern und stößt ihn an, entstehen im selben Moment ein winziger Lichtblitz und einige freie Elektronen, die kurz darauf ein zweites Signal auslösen. Aus dem Verhältnis dieser beiden Signale lesen die Physiker ab, ob der Kern selbst getroffen wurde oder nur die Elektronenhülle um ihn herum, und allein ein Treffer auf den Kern käme für dunkle Materie infrage.

Zwischen dem 27. März 2023 und dem 1. April 2024 hat LZ an 220 Tagen gemessen. In die Auswertung geht dabei nur der innere Teil des Tanks ein, 4,71 der sieben Tonnen, weil das äußere Xenon als Schutzschicht dient. Masse und Messzeit rechnen Physiker zu einer einzigen Größe zusammen, ähnlich wie bei einer Kamera, die man länger offen lässt, um mehr Licht einzufangen. Hier kamen 2,84 Tonnenjahre zusammen.

Neu an dieser Auswertung ist der Energiebereich. Energien misst man in solchen Experimenten in Elektronenvolt: Ein Lichtteilchen aus einer Lampe bringt es auf etwa zwei bis drei davon, medizinische Röntgenstrahlung auf einige Zehntausend. Bisherige Suchen nach dunkler Materie hörten bei ungefähr 55.000 Elektronenvolt auf, kurz 55 keV, weil die gängigen Modelle ihr Signal unterhalb dieser Grenze erwarten lassen. Diesmal öffnete die Kollaboration das Fenster bis etwa 270 keV und rechnete darin 15 verschiedene Arten durch, wie ein Teilchen mit einem Atomkern zusammenstoßen könnte, für Teilchen zwischen zehn und viertausend Protonenmassen.

In diesem oberen, bisher unbeobachteten Bereich liegt nun ein Ereignis, das nach einem angestoßenen Atomkern aussieht. Das ist die entscheidende Unterscheidung im ganzen Experiment. Natürliche Radioaktivität trifft fast immer die Elektronenhülle eines Atoms, dunkle Materie würde den Kern in der Mitte treffen, und beides hinterlässt unterschiedliche Signale. Aus diesen Signalen hat die Kollaboration eine Energie von 248 keV zurückgerechnet, mit einer Unsicherheit von jeweils 23 keV aus der Statistik und aus der Kalibrierung des Detektors. Erwartet hatte man in dieser Gegend etwa ein Hundertstel eines Untergrundereignisses, anders gesagt: Erst in etwa hundert solchen Messreihen sollte dort überhaupt einmal etwas auftauchen.

Ein Detail hat in der Fachwelt sofort für Stirnrunzeln gesorgt. Normalerweise legt ein Team die Auswahlkriterien fest, solange noch niemand die interessanten Daten gesehen hat. Man nennt das eine blinde Analyse, und sie verhindert, dass jemand die Regeln unbewusst so zurechtlegt, dass das gewünschte Ergebnis übrig bleibt. Hier fiel das Ereignis auf, bevor die Kriterien endgültig standen. Die Kollaboration schreibt das offen in ihr Papier und hält selbst fest, dass ihre Auswertung deshalb besonders genau geprüft gehört.

Woher wir wissen, dass etwas fehlt

Der Name dunkle Materie ist eine Verlegenheitslösung, er sagt nur, dass dieses Etwas nicht leuchtet. Angefangen hat die Geschichte in den 1930er Jahren mit dem Schweizer Astronomen Fritz Zwicky, der die Geschwindigkeiten von Galaxien im Coma-Haufen maß. Sie waren viel zu hoch. Bei diesem Tempo hätte sich der Haufen längst auflösen müssen, so wie Wasser aus einem zu schnell geschleuderten Eimer fliegt. Irgendetwas hielt ihn zusammen, das man nicht sehen konnte. Zwicky wurde jahrzehntelang nicht ernst genommen, was auch daran lag, dass er ein schwieriger Mensch war.

Überzeugend wurde die Sache erst in den 1970ern durch Vera Rubins Messungen an Spiralgalaxien. In unserem Sonnensystem kreisen die äußeren Planeten langsamer als die inneren, weil die Anziehungskraft der Sonne mit der Entfernung nachlässt. Neptun braucht für eine Runde 165 Jahre, die Erde eines. Bei einer Galaxie sollte es genauso aussehen, denn auch dort sitzt der Großteil des Lichts im Zentrum. Rubin fand aber, dass die Sterne am Rand fast so schnell unterwegs sind wie die weiter innen. Das ergibt nur Sinn, wenn der größte Teil der Masse gar nicht dort sitzt, wo das Licht herkommt, sondern in einer riesigen unsichtbaren Kugel, die die ganze Galaxie umgibt.

Zwei weitere Beobachtungen stützen das. Licht von fernen Galaxien wird auf dem Weg zu uns abgelenkt, und zwar an Masse, die kein Teleskop zeigt. Und das Muster der kosmischen Hintergrundstrahlung, also des Nachleuchtens aus der Frühzeit des Universums, lässt sich nur nachbauen, wenn man eine zusätzliche Materieform einrechnet. Alles zusammen ergibt ein Universum, in dem gut ein Viertel des Energieinhalts auf dunkle Materie entfällt. Alles, was Menschen je gesehen haben, sämtliche Sterne, Planeten und Gaswolken samt uns selbst, macht knapp fünf Prozent aus.

Was diese Masse ist, weiß niemand. Der meistgesuchte Kandidat heißt WIMP, ein schweres Teilchen, das die normale Materie fast vollständig ignoriert. Daneben stehen das Axion, sterile Neutrinos, schwarze Löcher aus der Frühzeit des Universums und ganze Familien dunkler Photonen. Es gibt auch Forscher, die den ganzen Ansatz für einen Irrweg halten und lieber die Schwerkraft selbst auf großen Skalen anpassen würden. Ihre Modelle erklären die Rotation von Galaxien ziemlich gut und tun sich mit Galaxienhaufen und der Hintergrundstrahlung deutlich schwerer.

Sieben Tonnen Xenon unter einem Goldbergwerk

Unsere Galaxie steckt nach heutiger Vorstellung in einer Wolke aus dunkler Materie, und die Erde fliegt ununterbrochen hindurch. Die Teilchen darin durchqueren Gestein und Gebäude, ohne eine Spur zu hinterlassen, den menschlichen Körper ebenso. Sehr selten aber sollte eines von ihnen einen Atomkern so treffen, dass dieser einen Stoß abbekommt, ungefähr wie eine Billardkugel die andere anstößt. Genau diesen Stoß will LZ registrieren. Dafür muss alles verschwinden, was Atomkerne ebenfalls anstoßen kann.

Der Ort dafür hat eine Vorgeschichte. Die Homestake-Mine in Lead, South Dakota, war über ein Jahrhundert lang das größte Goldbergwerk Nordamerikas. Auf der 4.850-Fuß-Ebene, gut 1.478 Meter unter der Oberfläche, stellte der Chemiker Ray Davis 1965 einen Tank mit rund 380.000 Litern Perchlorethylen auf, also mit gewöhnlicher Reinigungsflüssigkeit, um Neutrinos von der Sonne zu zählen. Er fand nur ein Drittel der vorhergesagten Menge. Dieses Defizit beschäftigte die Physik fast dreißig Jahre, bis sich herausstellte, dass Neutrinos unterwegs ihre Sorte wechseln und Davis' Tank nur eine davon sehen konnte. 2002 bekam er dafür den Nobelpreis. LZ steht heute auf derselben Ebene.

Das Gestein darüber ist der eigentliche Grund für den Standort. An der Oberfläche prasselt ständig kosmische Strahlung nieder, die jede Messung dieser Art unmöglich machen würde. Anderthalb Kilometer Fels filtern davon fast alles weg.

Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Signalen verrät noch etwas anderes. Die Elektronen brauchen für ihren Weg nach oben umso länger, je weiter unten im Tank der Stoß stattgefunden hat, und aus dieser Verzögerung lässt sich die Höhe des Ereignisses berechnen. Zusammen mit der Position der Lichtsensoren am Rand ergibt das den genauen Ort im Tank. Das ist wichtig, weil Störstrahlung von außen kommt und deshalb meist am Rand auftritt. Für die Auswertung zählt nur der innere Bereich, wo das Xenon sich selbst abschirmt, und deshalb gehen von den sieben Tonnen am Ende nur 4,71 in die Rechnung ein.

Um das Xenon herum liegen weitere Schichten, die jede für sich eine Störquelle abfangen: zwei Tonnen Xenon als innere Hülle, 17 Tonnen einer Flüssigkeit, die beim Durchgang von Teilchen aufleuchtet, und außen 229 Tonnen hochreines Wasser, ungefähr der Inhalt eines kleinen Schwimmbeckens. Neutronen, die es trotzdem bis nach innen schaffen, werden zu 92 bis 94 Prozent erkannt und aussortiert. Der gesamte Aufbau existiert, damit ein einzelnes Ereignis pro Jahr nicht untergeht.

Warum 2,6 Sigma niemanden überzeugen

Sigma ist das Maß dafür, wie selten ein Messergebnis wäre, wenn nur der gewöhnliche Untergrund am Werk ist. Bei 2,6 Sigma liegt diese Wahrscheinlichkeit grob bei einem Prozent. Das klingt zunächst nach wenig Zufall.

Der Haken steckt in der Zahl der Gelegenheiten. LZ hat 15 Arten von Wechselwirkung geprüft, dazu weitere Modelle, jeweils über einen großen Bereich möglicher Teilchenmassen und über das ganze Energiefenster. Damit entstehen viele tausend Stellen, an denen etwas auffällig sein könnte. Bei einem Prozent Wahrscheinlichkeit pro Stelle gehören auffällige Befunde zum Normalfall. Wer hundertmal würfelt, wirft auch irgendwann dreimal hintereinander eine Sechs. Genau dafür rechnen Physiker eine Korrektur, und die macht aus 3,4 Sigma an der günstigsten Stelle die 2,6 Sigma für die Suche insgesamt.

Die Teilchenphysik hat mit Werten in dieser Gegend viel Erfahrung, und die ist ernüchternd. 2011 meldete das italienische OPERA-Experiment Neutrinos, die schneller als das Licht gewesen sein sollten. Die Ursache war am Ende ein Glasfaserstecker, der nicht richtig saß. 2015 zeigte sich am Teilchenbeschleuniger des CERN eine Beule in den Daten, zu der innerhalb weniger Monate weit über hundert theoretische Arbeiten erschienen. Mit mehr Messdaten verschwand sie spurlos. Die Fünf-Sigma-Schwelle ist die Lehre aus solchen Fällen, und selbst danach will die Fachwelt eine Bestätigung von einem anderen Experiment sehen.

„We’re not claiming this is dark matter at all.“

Samuel Eriksen, University of Bristol, Mitglied der LZ-Kollaboration, gegenüber Nature

Jianglai Liu von der Shanghai Jiao Tong University, der beim konkurrierenden chinesischen Experiment PandaX arbeitet, nennt den Befund faszinierend und rechnet damit, dass er das Feld in Bewegung bringt. Richard Gaitskell von der Brown University in Rhode Island, seit Jahrzehnten in der Suche mit Xenon unterwegs, beschreibt den Moment, in dem die Daten entschlüsselt wurden, als sehr aufregend. Keiner von beiden sagt, dunkle Materie sei gefunden worden.

Der langweilige Verdacht

Am wahrscheinlichsten war es ein Neutron. Neutronen sind Bestandteile gewöhnlicher Atomkerne, und wenn sie frei umherfliegen, stoßen sie andere Kerne genauso an wie ein hypothetisches Teilchen dunkler Materie. Sie entstehen im umgebenden Gestein und im Detektormaterial selbst, und sie sind der Grund für den ganzen Abschirmungsaufwand. Normalerweise verrät sich ein Neutron dadurch, dass es mehrfach stößt oder in einer der äußeren Schichten auftaucht. Eines, das genau einmal trifft und sonst keine Spur hinterlässt, ist selten. Ausgeschlossen ist es nicht.

Dazu kommen radioaktive Zerfälle im Inneren, vor allem von Blei-212 und Xenon-136, dazu Beiträge von Krypton und Iod, die für diese Auswertung neu ins Untergrundmodell aufgenommen wurden. Über das gesamte Messfenster erwartet LZ rund 1.700 solcher Untergrundereignisse, fast alle davon bei niedrigen Energien und an der Elektronenhülle. In der Gegend des interessanten Treffers schrumpft die Erwartung auf jenes Hundertstel. Daher fällt er so auf, und daher ist er gleichzeitig schwer zu bewerten, denn bei derart kleinen Zahlen entscheidet jede einzelne Annahme im Untergrundmodell mit.

Bleibt die unangenehmste Möglichkeit, nämlich ein Detektor, den man bei Energien noch nicht vollständig versteht, in denen vorher nie gesucht wurde. Die Kollaboration hat deshalb ihre Kalibrierung ausgeweitet und den Detektor mit einer Neutronenquelle bis 330 keV vermessen, also bis über den fraglichen Bereich hinaus. Ob das ausreicht, entscheidet die Fachgemeinschaft in den nächsten Monaten.

Was die Theoretiker anbieten

Wenige Tage nach der Veröffentlichung lagen die ersten Erklärungsversuche vor. Sie alle müssen dasselbe Problem lösen. Ein gewöhnliches WIMP, das hin und wieder einen Kern mit 248 keV anstößt, müsste sehr viel häufiger schwächere Stöße erzeugen, so wie beim Billard die meisten Berührungen sanft ausfallen und nur wenige richtig krachen. Solche schwachen Stöße hat LZ aber nicht gesehen. Wer das Ereignis für dunkle Materie halten will, braucht deshalb ein Modell, in dem niedrige Energien unterdrückt werden und hohe bevorzugt.

Der eine Vorschlag lässt das Teilchen beim Stoß schwerer werden. Es springt dabei in einen angeregten Zustand, ähnlich wie ein Elektron in der Atomhülle auf eine höhere Bahn springt, wenn man Energie zuführt. So ein Stoß braucht eine Mindestenergie, schwache Treffer fallen damit von selbst weg. Liegt der Massenunterschied zwischen den beiden Zuständen bei etwa 297 keV, verschiebt sich das ganze erwartete Signal genau dorthin, wo LZ hingeschaut hat. Die Rechnung landet bei einem Teilchen von rund tausend Protonenmassen.

Der andere Vorschlag dreht die Richtung um. Dort ist das Teilchen bereits im angeregten Zustand unterwegs und fällt beim Stoß herunter, wobei es die gespeicherte Energie abgibt. Bei einem Unterschied von etwa 350 keV passt auch das zu den Daten, und dieses Modell hat einen praktischen Vorteil: Es hängt nicht davon ab, wie schnell die schnellsten Teilchen in der Umgebung unserer Galaxie unterwegs sind. Die erste Variante reagiert auf diese Annahme sehr empfindlich, ihre Vorhersage schwankt um mehr als das Hundertfache, je nachdem welchen Wert man ansetzt.

Auseinanderhalten lassen sich die beiden mit einem anderen Material. Ein Detektor, der flüssiges Argon statt Xenon verwendet, würde bei der zweiten Variante mehrere Ereignisse pro Tonne und Jahr in diesem Energiebereich sehen, während die erste dort so gut wie nichts erlaubt. Über solche Fragen streitet die Physik gern, weil sich der Streit durch Messen beenden lässt.

Wie es weitergeht

Seit dem 1. April 2024 misst LZ unter unveränderten Bedingungen weiter. Damit klärt sich die Frage mit der Zeit von selbst. Bleibt es in der neuen Messperiode bei dem einen Ereignis, sinkt seine statistische Bedeutung an jedem Tag, an dem nichts dazukommt. Treten weitere auf, wird aus dem Einzelfall ein Befund.

Zwei weitere Experimente arbeiten nach demselben Prinzip und haben denselben Energiebereich im Blick. XENONnT steht im Gran-Sasso-Labor unter den italienischen Abruzzen, PandaX im Jinping-Untergrundlabor in der chinesischen Provinz Sichuan. Beide haben dort bislang nichts gesehen, was über den erwarteten Untergrund hinausgeht. Als Gegenbeweis taugt das noch nicht, denn die Detektoren sind unterschiedlich groß und haben unterschiedlich lange gemessen. Bestätigt eines von beiden den Befund, ändert sich die Lage sofort.

Die wahrscheinlichste Auflösung bleibt das Neutron, so enden diese Geschichten fast immer. Bemerkenswert ist trotzdem, wie die Kollaboration damit umgeht. Sie veröffentlicht ein einzelnes Ereignis, schreibt dazu, dass ihre Analyse nicht blind lief, und legt die Daten anderen zum Nachrechnen hin. Wenn von dort irgendwann ein echter Fund kommt, wird man ihm glauben können.

Dunkle Materie in der Science-Fiction

Über dunkle Materie selbst gibt es kaum Romane. Eine Masse, die außer ihrer Schwerkraft nichts anstellt, liefert weder einen Gegenspieler noch eine Wendung. Häufiger erzählt die Science-Fiction von der Lage, in der die Leute in South Dakota gerade stecken. Ein Messwert liegt vor, er lässt mehrere Deutungen zu, und entscheiden müssen darüber Menschen mit Karrieren, Fristen und eigenen Überzeugungen.

Vakuum Phillip P. Peterson

Eine Physikerin überwacht in der Antarktis ein Neutrino-Teleskop und empfängt ein starkes Signal aus einem nahen Sternhaufen. Peterson ist Raumfahrtingenieur und nimmt die Messung selbst ernst, samt der Frage, ab wann ein Ausschlag als Ergebnis gilt und wer darüber befindet. Von allen Büchern im Katalog kommt dieses der Arbeitssituation in der Mine am nächsten.

Timescape Gregory Benford

Benford ist Physikprofessor, und sein Roman spielt zu großen Teilen im Labor. Ein Team versucht, aus verrauschten Daten eine Botschaft herauszulesen, während das Geld knapp wird und die Kollegen zweifeln. Der Alltag zwischen Messreihe, Zweifel und Antragsfrist ist selten so genau beschrieben worden.

Die Stimme des Herrn Stanisław Lem

Wissenschaftler sollen einen Neutrinostrom entschlüsseln, der eine Botschaft sein könnte. Lem geht es kaum um die Auflösung. Ihn beschäftigt, wie viel von dem, was Forscher in ihren Daten finden, sie vorher selbst hineingelegt haben.

Schild’s Ladder Greg Egan

Ein Experiment zur Struktur der Raumzeit gerät außer Kontrolle und erzeugt eine neue Vakuumphase, die sich mit halber Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Egan legt die Physik seiner erfundenen Theorie offen und rechnet sie durch. Das Buch verlangt Aufmerksamkeit und die Bereitschaft, einer fremden Theorie über mehrere Kapitel zu folgen.

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Drei Raumfahrer verschwinden beim Wiedereintritt, und die Spur führt zu einem Teilchenphysik-Experiment am Boden. Der Auftakt einer Reihe, die Beschleunigerphysik zum Ausgangspunkt einer größeren Geschichte macht. Der Ton ist der eines Thrillers, die Physik bleibt Kulisse.

Dark Matter Blake Crouch

Der Titel führt in die Irre, denn Crouch schreibt über Quantenmechanik und Parallelwelten und nicht über den Massenüberschuss im Universum. Das Buch steht hier, weil viele Leser genau diesen Roman meinen, wenn sie dunkle Materie und Roman zusammen in eine Suchmaske tippen.

Mehr Physik mit Bodenhaftung steht im Genre Hard SF, die Begriffe dazu im Glossar: Dunkle Materie, Dunkle Energie, WIMP, Axion und Teilchenbeschleuniger.

Häufige Fragen zur dunklen Materie