Ein neuer Kandidat für Dunkle Materie

Lassen sich Spuren von superschweren geladenen Gravitinos in Untergrund-Detektoren nachweisen?

Auf den Punkt gebracht:

• Großes Rätsel: Die Natur der Dunklen Materie ist nach wie vor ungeklärt. Mögliche Kandidaten dafür sind neue Elementarteilchen – in der nun vorliegenden Arbeit werden dafür superschwere geladene Gravitinos postuliert, die sich radikal von allen bisher vorgeschlagenen Kandidaten (Axionen, WIMPs, ...) unterscheiden.
• Möglicher Nachweis: Ein Forschungsteam unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik und der Universität Warschau zeigt, wie neue Untergrund-Detektoren diese Teilchen anhand unverwechselbarer Spuren nachweisen könnten.
• Interdisziplinärer Ansatz: Die Analyse verbindet zwei sehr unterschiedliche Forschungsbereiche: die Elementarteilchenphysik und die Suche nach einer fundamentalen Theorie mit Methoden der modernen Quantenchemie.

Bereits in einer früheren Studie hatten Hermann Nicolai vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI) im Potsdam Science Park und Krzysztof Meissner von der Fakultät für Physik der Universität Warschau superschwere Gravitinos als mögliche Kandidaten für dunkle Materie postuliert und Methoden vorgeschlagen, um in geplanten Untergrundexperimenten nach stabilen superschweren Teilchen mit elektrischer Ladung zu suchen. Die jetzt publizierte Arbeit zeigt, wie große unterirdische Neutrino-Detektoren diese Teilchen anhand unverwechselbarer Spuren nachweisen könnten. Darin präsentieren die Forschenden eine detaillierte Analyse der spezifischen Signaturen, die von Gravitinos verursachte Ereignisse im Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) und in zukünftigen Flüssigargon-Detektoren wie dem Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) hervorrufen. Die nun vorliegende Analyse setzt auch neue Maßstäbe in puncto Interdisziplinarität, indem sie zwei sehr unterschiedliche Forschungsbereiche verbindet: Elementarteilchenphysik und die Suche nach einer fundamentalen Theorie einerseits, und andererseits Methoden der modernen Quantenchemie, welche von Adrianna Kruk und Michal Lesiuk von der Fakultät für Chemie der Universität Warschau zu dieser Kollaboration beigesteuert wurden.

Ein ungelöstes Rätsel

Die Natur der dunklen Materie ist nach wie vor eines der größten Rätsel der modernen Astrophysik. Es liegen zahlreiche Vorschläge auf dem Tisch, die von neuartigen Elementarteilchen bis zu fundamentalen Abänderungen der Einstein’schen Gravitationstheorie reichen. Von Seiten der Teilchenphysik werden hier insbesondere supersymmetrische Teilchen, ultraleichte axionartige Teilchen und die sehr viel schwereren WIMPs (weakly interacting massive particles) als mögliche Kandidaten diskutiert, die alle nur sehr schwach mit normaler Materie wechselwirken. „Viele Forschende hatten große Erwartungen an die Messungen des Large Hadron Collider geknüpft“, sagt Hermann Nicolai, Direktor Emeritus am AEI, „Aber neue Teilchen jenseits des Standardmodells wurden nicht gesichtet.“ Auch andere Experimente haben in dieser bereits 40 Jahre währenden Suche keinerlei Hinweise auf solche Teilchen erbracht. Ebenso wenig haben vorgeschlagene Modifikationen der Einstein-Theorie zu befriedigenden Antworten geführt. Mit einem möglichen direkten Nachweis superschwerer Gravitinos in Untergrund-Detektoren könnte nun versucht werden, der Dunklen Materie mit einer neuen Idee auf die Spur zu kommen.

Der Vorschlag für eine dedizierte Suche nach superschweren Gravitinos basiert auf vorangegangenen Arbeiten zur Vereinheitlichung der fundamentalen Wechselwirkungen von Nicolai und seinem Kollegen Krzysztof Meissner, welche insbesondere das Fermion-Spektrum des Standardmodells der Teilchenphysik mit drei Generationen von Quarks und Leptonen erklären könnten. Superschwere Gravitinos (vom Spin 3/2) wären in diesem Modell die einzigen neuen Fermionen jenseits des Standardmodells. Diese noch hypothetischen Elementarteilchen unterscheiden sich erheblich von allen bisher vorgeschlagenen Kandidaten. So trägt ein Gravitino (fraktionelle) elektrische Ladung und ist daher dank der Wechselwirkung mit normaler Materie im Prinzip direkt nachweisbar. Allerdings wird die Suche enorm erschwert durch seine extreme Seltenheit (nach vorläufigen Abschätzungen im Mittel nur ein Gravitino auf 10000 km³), weshalb mit bislang verfügbaren Detektoren keine Aussicht auf einen Nachweis besteht. Mit der Inbetriebnahme neuer riesiger Untergrund-Detektoren eröffnen sich jetzt jedoch realistische Möglichkeiten, nach diesen Teilchen zu suchen.

Superschwere Gravitinos im Neutrino-Detektor

„Die von uns vorgeschlagene Beobachtungsmethode für superschwere Gravitinos basiert nicht (wie man eigentlich erwarten würde) auf Ionisation, sondern auf einer Art „Glühen”. Dieses stammt von Photonen, die während des Durchgangs solcher Teilchen durch die Nachweisflüssigkeit in großen Neutrino-Observatorien erzeugt werden sollten“, sagt Hermann Nicolai, Ko-Autor der Studie. „Dieses Glühen kann nach unseren Berechnungen einige Mikrosekunden bis zu einigen hundert Mikrosekunden andauern und würde eine charakteristische Spur durch den Detektor für die von uns postulierten superschweren Gravitinos erzeugen.“

Unter allen gegenwärtig existierenden Detektoren scheint das chinesische JUNO-Untergrund-Observatorium prädestiniert für eine solche Suche. Es soll die Eigenschaften von Neutrinos genauer als bisher bekannt bestimmen, außerdem Neutrinos aus kosmischen, atmosphärischen und geologischen Quellen beobachten und nach neuen Teilchen jenseits des Standardmodells suchen. Neutrinos wechselwirken nicht mit elektromagnetischen Feldern und reagieren auch mit Materie nur selten. Um überhaupt Reaktionen beobachten zu können, müssen Neutrino-Detektoren deshalb extrem große Volumina haben – im Fall des JUNO-Detektors handelt es sich um 20.000 Tonnen einer organischen, mineralölähnlichen Flüssigkeit in einem kugelförmigen Gefäß von ca. 40m Durchmesser. Die Suche nach Gravitinos könnte parallel und unabhängig von Neutrino-Reaktionen erfolgen. Die Quantenchemie des Szintillatoröls und seine spezifischen Eigenschaften spielen eine zentrale Rolle bei dem vorhergesagten Effekt. JUNO soll in der zweiten Jahreshälfte von 2025 mit den Messungen beginnen.

Vereinheitlichung der Naturkräfte?

„Der Nachweis der von uns vorhergesagten superschweren Gravitinos wäre auch ein großer Fortschritt bei der Suche nach einer vereinheitlichten Theorie“, sagt Hermann Nicolai. „Da für die Gravitinos Massen in der Größenordnung der Planck Masse vorhergesagt werden, wäre eine Detektion ein erster direkter Hinweis auf Physik nahe der Planck-Skala, und könnte damit wertvolle experimentelle Hinweise auf eine Vereinheitlichung der Naturkräfte liefern – Hinweise, die es in dieser Form bisher nicht gibt.“