LHC funktioniert! Heute morgen wurden die ersten Protonenstrahlen in den 27 km langen Ring eingeschossen und alles verlief so wie erwartet. In den nächsten Tagen und Wochen werden weitere Tests folgen und die Energie der Strahlen wird langsam erhöht – solange bis dann endlich alles bereit ist, um die ersten Teilchenkollisionen durchzuführen. Dann beginnt auch die wissenschaftliche Arbeit am LHC.

Auch wenn in den Medien meist nur über die Suche nach dem Higgs-Boson geredet wird: am LHC gibt es auch noch jede Menge andere wissenschaftliche Experimente. Eines davon (das mich als Astronom besonders interessiert) ist die Suche nach dunkler Materie.

Dunkle Materie

Ein Teilchenbeschleuniger auf der Suche nach dunkler Materie? Klingt ein wenig seltsam. Mit dunkler Materie assoziert man normalerweise die unbekannten Weiten des Weltalls und große Teleskope. Wie soll man hier etwas mit einem Teilchenbeschleuniger herausfinden können?

Mit der dunklen Materie gibt es ein großes, drängendes Problem: wir wissen nicht, um was es sich dabei handelt! Das bedeutet nicht, dass dunkle Materie “nur ein Theorie” ist, die sich die Astronomen in ihrer Verzweiflung aus den Fingern gesogen haben weil sie sonst nicht weiterkommen. Dunkle Materie existiert! Das lässt sich auf verschiedenste Weise nachweisen. Aber wir wissen eben noch nicht, aus was diese dunkle Materie eigentlich besteht.

Und wie kam man eigentlich auf die Idee, dass diese mysteriöse Materie existieren soll?

1933 hat der Astronom Fritz Zwicky die Galaxien in einem Galaxienhaufen beobachtet. Diese Galaxien bewegen sich natürlich weil sie sich gegenseitig durch ihre gravitative Anziehungskraft beeinflussen. Diese Anziehungskraft hängt von der Masse ab – und Galaxien bestehen hauptsächlich aus Sternen. Kennt man also die Helligkeiten der Galaxien kann man auch die Anzahl der Sterne und damit die Masse einer Galaxie abschätzen. Kennt man die Massen, kann berechnen, wie sich die Galaxien bewegen sollte. Zwicky fand nun, dass sich die Galaxien nicht so bewegten wie vorherberechnet. Es sah so aus, als wäre dort mehr Masse vorhanden als man sehen konnte.

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1960 wurde dieses Ergebnis von Vera Rubin bestätigt. Sie untersuchte, wie sich Sterne um das Zentrum einer Galaxie bewegen. Auch hier hängt die Umlaufgeschwindigkeit von der Masse der Galaxie ab und es wird erwartet dass die Geschwindigkeit ab einer gewissen Distanz vom Zentrum stark abfällt (siehe Bild rechts). Beobachtet hat man aber etwas ganz anderes – die Geschwindigkeit wird nicht kleiner sondern bleibt mehr oder weniger gleich. Das ist wieder ein Hinweis auf zusätzliche Masse.

Es schien also im Universum Masse zu geben, die nur gravitativ wechselwirkt aber keine (oder kaum) elektromagnetischen Signale aussendet oder reflektiert. Eben dunkle Materie. Zahlreiche weitere Beobachtungen im Laufe der Zeit haben diese Annahme bestätigt: Im Universum gibt es Masse, die wir nicht sehen können.

Aus den Beobachtungen und theoretischen Überlegungen weiß man mittlerweile das der sichtbare Anteil der Materie im Universum nur etwa 15% ausmacht. Die restlichen 85 % müssen dunkle Materie sein.

Aber worum es sich bei der dunklen Materie genau handelt, wissen wir leider immer noch nicht. Immerhin gibt es einige vernünftige Vermutungen – und Experimente am LHC können helfen hier Licht ins (buchstäbliche) Dunkle zu bringen.


Woraus besteht dunkle Materie

Hier gibt es einige Möglichkeiten: dunkle Materie könnte beispielsweise buchstäblich dunkle Materie sein. Also Materie, die identisch mit der ist, die wir sehen können nur dass sie eben aus bestimmten Gründen einfach nicht leuchtet und deswegen unsichtbar ist. Kalte Wolken aus interstellarem Gas beispielsweise oder sogannten MACHOs. Das steht für Massive Astrophysical Compact Halo Objects und dabei handelt es sich um große Himmelskörper in denen keine Kernfusion stattfindet und die daher auch nicht leuchten. Allerdings müsste man sie mit dem Gravitationslinseneffekt “sehen” können (wenn ein MACHO von uns aus gesehen vor einem Stern steht, dann würde seine gravitative Wirkung das Licht Sterns auf eine bestimmte Weise ablenken). Ausserdem würde diese Art der dunklen Materie nicht mit den kosmologischen Theorien zusammenpassen. Auch wenn MACHOs existieren, dann machen sie wohl nur ein winzig kleinen Teil der dunklen Materie aus.

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Kommentare (12)

  1. #1 isnochys
    10. September 2008

    Bei dem ganzen Hin und Her vergisst man doch manchmal wirklich, dass dort Forschung betrieben wird und keine Unterhaltung der Massen
    :))

  2. #2 Ulrich Berger
    10. September 2008

    Sehr schön erklärt! Hoffentlich gibts eine Fortsetzung – über “dunkle Energie”.

  3. #3 Klaus
    10. September 2008

    Wo befindet sich die dunkle Materie in den Galaxien? im Zentrum? Zwischen den Sternen?

  4. #4 florian
    10. September 2008

    @isnochys: Deswegen auch dieser Artikel 😉

    @Ulrich: Hmm – die dunkle Energie ist mehr selbst noch ein bisschen suspekt 😉 Also nicht das ich an deren Existenz zweifle – aber ich bin mit diesem Thema noch nicht ganz so vertraut. Aber das muss sich eh langsam mal ändern – und wenn ich dann Bescheid weiß, dann schreib ich auch was drüber.

    @Klaus: Gute Frage. Wenn es sich wirklich um supersymmetrische Teilchen handelt, dann müssten die prinzipiell eigentlich überall sein. Die Tatsache, dass man den Effekt der dunklen Materie sowohl in Galaxien, als auch in Galaxienhaufen und Superclustern (Also Anhäufungen von Galaxienhaufen) beobachtet, zeigt dass sie sich sowohl in Galaxien als auch im intergalaktischen Medium befinden muss. Anscheinend ist aber die Verteilung von normaler Materie unterschiedlicher gegenüber der Verteilung der dunklen Matere. Vom Bullet-Cluster gibt es ein schönes Bild, dass die Verteilung der dunklen Materie illustriert.

  5. #5 Klaus
    10. September 2008

    …viel dunkle Materie finde ich auch in meiner Brieftasche 😉

  6. #6 Birgit
    11. September 2008

    @Klaus: das sind bei mir schon eher riesige schwarze Löcher *G*

    Mir ist natürlich klar, dass die ersten Ergebnisse noch eine Zeit lang auf sich warten lassen, aber nachdem das Ereignis medial komplett ausgeschlachtet wurde (inkl. zu erwarteten Weltuntergang) hätte ich am liebsten gleich morgen die ersten Entdeckungen 🙂

    @Florian: ein Artikel über Dark Matter würde mich auch sehr interessieren – wäre super, wenn Du das in nächster Zeit schaffst!

  7. #7 florian
    11. September 2008

    @Birgit: “Dark Matter” habe ich in diesem Artikel schon erklärt. Du meintest wohl “Dark Energy”. Die ist wirklich fies unverständlich. Im Prinzip gehts um Kräfte deren Austauschteilchen “dunkel” sind. Also anders wie z.B. die Photonen, Z- bzw. W-Bosonen und Gluonen (die Austauschteilchen der bekannten Kräfte) die zur normalen Materie gehören und die wir beobachten können.
    Aber um da wirklich durchzublicken muss man sich erstmal in die ganzen kosmologischen bzw. Teilchen- und Stringtheorien einarbeiten. Ich muss mal schauen, ob ich das irgendwie mit nem vernünftigen Aufwand schaffe…

  8. #8 Birgit
    11. September 2008

    Mea culpa!!
    Du hast natürlich recht 😉

  9. #9 Bettina
    15. September 2008

    Flo, deine Artikel sind immer super. Ich werde sie jetzt öfter lesen als zuvor (sorry). Im Physikunterricht kann man immer solche Sachen irgendwo einfließen lassen.

    Jetzt eine ganz allgemeine Frage zum LHC und den Versuchen. Ich weiß nämlich, dass ich kniffelige Fragen hier stellen kann. Ein Schüler hat mich heute was interessantes gefragt:
    “Wenn man beiseite lässt, dass im Inneren des LHC Vakuum und Tieftemperaturen herrschen und die Größe ignoriert, und einen Menschen da hineinstellt. Was würde der von dem Experiment (Proton-Proton Zusammenstoß) merken?”

    Ich finde die Frage sehr interessant.

  10. #10 Ludmila
    15. September 2008

    @Bettina: Was würde ein Mensch vom Zusammenstoß merken?

    Ähm, im Großen und Ganzen: Nichts. Ab und an sähe man mal einen extrem kurzen Lichtblitz im Auge, wenn zufälligerweise ein Photon in Richtung der Netzhaut flöge und es dunkel um einen herum wäre. Es gab da mal ein witziges Paper zu Raumfahrtlaboren, in denen Astronauten ständig von Kosmischer Strahlung umgeben waren. Ab und an, wenn diese die Augen schlossen und sich im Dunkeln aufhielten, sahen diese einen Lichtblitz im Auge. Weil gerade ein Teilchen die Netzhaut anregte.

    Im Übrigen, selbst wenn wir Vakuum vernachlässigen. Es ist keine sehr gute Idee, einen Menschen auch nur in die Nähe des Experimentes zu bringen.

    Ich hatte es hier schon einmal erwähnt: http://www.scienceblogs.de/planeten/2008/09/morgen-830-erster-protonenstrahl-am-cern.php

    Der Protonen-Strahl ist ein richtiger Schneidbrenner. Und selbst wenn man jetzt dem Schneidbrenner aus dem Weg geht, hätte man noch die Synchrotonstrahlung und die enthält einen großen Anteil an harter Röntgenstrahlung. Deswegen dürfen Menschen noch nicht mal in die Nähe des Ringes bei laufendem Betrieb und der Bereich ist doppelt und dreifach abgesichert.

  11. #11 Redfox
    24. Oktober 2009

    Oi, Oi, Oi… Sätze wie

    “Der LHC wird ein Fenster in dieses Dunkle Universum öffnen, hoffe ich. Das finde ich faszinierend. Die Möglichkeit, den ersten Schritt in das Dunkle Universum zu gehen, finde ich ganz fantastisch.”

    sind aber mit Sicht auf die Esoterikerfraktion garnicht so gut gewählt. Wenn ein Eso sowas liest, schreit der doch sofort:

    “Der Chef vom LHC hat selbst zugegeben das die ein Dimensionstor in ein Dunkles Universium öffnen und rübergehen wollen! Bestimmt um sich mit den Dunklen Dämonen aus diesem Dunklen Universum zu verbünden um zusammen die Welt vernichten! WIR MÜSSEN SIE AUFHALTEN!!!”

    Siehe auch:
    http://ars.userfriendly.org/cartoons/?id=20080930

  12. #12 Drumer
    22. Juni 2010

    Mal ne Frage,
    Ich habe mal von irgendwem gehört, dass ein Proton im LHC ein sichtbares Loch durch den Stahl schlagen könnte. Was ja in Relation zur Größe ein enorm großes Loch wäre.

    Wirklich ein Proton oder wäre dass dann der Protonenstrahl, respektive die “schrotladung” an Protonen?

    und nach dem Artikel von Ludmilla klingt es weniger nach “durchschlagen” als nach “durchschweißen”. Was ist korrekter?
    Danke für die Antwort. =)