Wissenschaftler stehen kurz davor zu verstehen, woraus der größte Teil des Universums besteht

Wissenschaftler stehen kurz davor herauszufinden, woraus das Universum tatsächlich besteht. Dunkle Materie und dunkle Energie machen 95 % des Universums aus; nur 5 % sind „normale Materie“, die wir sehen können.

Das Universum verstehen

Dr. Rupak Mahapatra, experimenteller Teilchenphysiker an der Texas A&M University, entwickelt hochmoderne Halbleiterdetektoren mit kryogenen Quantensensoren. Mahapatra vergleicht unser Verständnis des Universums mit einer alten Parabel: „Es ist, als würde man versuchen, einen Elefanten zu beschreiben, indem man nur seinen Schwanz berührt. Wir spüren etwas Massives und Komplexes, aber wir erfassen nur einen winzigen Teil davon.“

Dunkle Materie und dunkle Energie haben ihren Namen daher, dass ihre Zusammensetzung unbekannt ist. Dunkle Materie ist die Masse in Galaxien und Galaxienhaufen und prägt deren Struktur im größten Maßstab. Dunkle Energie ist die Kraft, die die beschleunigte Expansion des Universums antreibt. Im Wesentlichen hält dunkle Materie die Dinge zusammen, während dunkle Energie sie auseinanderzieht.

Weder dunkle Materie noch dunkle Energie emittieren, absorbieren oder reflektieren Licht, sodass sie nicht direkt beobachtet werden können. Dunkle Energie ist im Universum dominanter als dunkle Materie. Dunkle Energie macht 68 % des gesamten Energiegehalts des Universums aus, während dunkle Materie nur 27 % ausmacht.

Mahapatras Werk

Die Gruppe um Mahapatra baut Detektoren, die so empfindlich sind, dass sie Signale von Teilchen empfangen können, die nur selten mit gewöhnlicher Materie in Wechselwirkung treten und Aufschluss über die Natur der Dunklen Materie geben könnten. „Die Herausforderung besteht jedoch darin, dass die Dunkle Materie so schwach wechselwirkt, dass wir Detektoren benötigen, die Ereignisse erkennen können, die vielleicht einmal im Jahr oder sogar einmal in zehn Jahren auftreten“, erklärt Mahapatra.

Mahapatras Arbeit baut auf einer langen Geschichte der Erweiterung der Nachweisgrenzen durch weltweit führende Forschungen im Rahmen seiner 25-jährigen Teilnahme am SuperCDMS-Experiment auf. In einer bahnbrechenden Veröffentlichung in Physical Review Letters aus dem Jahr 2014 stellten Mahapatra und seine Mitarbeiter die spannungsunterstützte kalorimetrische Ionisationsdetektion im SuperCDMS-Experiment vor.

Dieser Durchbruch ermöglichte es den Forschern, WIMPs mit geringer Masse nachzuweisen, die als wichtigste Kandidaten für dunkle Materie gelten. WIMPs sind schwach wechselwirkende massive Teilchen. Diese Technik verbesserte die Empfindlichkeit für Teilchen, die zuvor unerreichbar waren, erheblich.

Im Jahr 2022 war Mahapatra Mitautor einer Studie, die sich mit komplementären Nachweisstrategien befasste: direkter Nachweis, indirekter Nachweis und Kollisionssuche nach einem WIMP. Dies unterstreicht den globalen, mehrgleisigen Ansatz zur Lösung des Rätsels der Dunklen Materie. Mahapatra erklärt: „Kein einzelnes Experiment wird uns alle Antworten liefern. Wir brauchen Synergien zwischen verschiedenen Methoden, um das Gesamtbild zusammenzusetzen.“ Das Verständnis der Dunklen Materie ist nicht nur eine akademische Übung, sondern ein Schlüssel zur Entschlüsselung der grundlegenden Naturgesetze. Mahapatra sagt: „Wenn wir Dunkle Materie nachweisen können, werden wir ein neues Kapitel in der Physik aufschlagen. Die Suche erfordert extrem empfindliche Sensortechnologien und könnte zu Technologien führen, die wir uns heute noch gar nicht vorstellen können.“