WIMP

WIMP (von englisch Weakly Interacting Massive Particles, deutsch „schwach wechselwirkende massereiche Teilchen“, Wortspiel zu engl. wimp = Schwächling) sind hypothetische Teilchen mit einer Masse im Bereich zwischen einigen zehn und etwa tausend GeV (ein GeV, eine Milliarde eV, ist etwa die Masse eines Wasserstoffatoms). WIMPs wurden – wie auch die MACHOs – postuliert, um das kosmologische Problem der dunklen Materie im Weltraum zu lösen.

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Die Existenz dunkler Materie wurde postuliert, weil die Gravitation der im Weltall vorhandenen sichtbaren Materie bei weitem nicht ausreichen würde, um die Verklumpung der Materie in der frühen Phase des Kosmos zu erklären, die zur Bildung von Galaxien führte. Der Großteil der im Universum enthaltenen Materie muss daher aus nicht direkt sichtbarer „dunkler Materie“ bestehen, wobei aber nicht klar ist, was man sich darunter vorzustellen hat. Erste Vermutungen, es handele sich um massereiche, aber kalte und nicht strahlende Himmelskörper, die in großer Zahl in den Galaxien vorhanden seien (MACHOs), konnten durch Nachforschungen nicht bestätigt werden.

Alternativ ist es möglich, die Existenz der dunklen Materie durch schwere, nur schwach wechselwirkende Elementarteilchen zu erklären, die in großer Zahl den Raum durchqueren. Die Teilchenphysik postuliert für diese "WIMPs" eine Masse von jeweils etwa zwei Goldatomen. Sie besitzen keine Ladung und somit kein elektrisches oder magnetisches Feld, so dass ihre Wechselwirkung mit Materie sich auf Gravitation und die sehr kurzreichweitige schwache Wechselwirkung beschränkt. WIMPs, sofern sie tatsächlich existieren, könnten deshalb wie Neutrinos ganze Planeten vollkommen ungestört durchqueren (das englische Wort „wimp“ bedeutet auf deutsch in etwa „Schwächling“, was auf ihre Unfähigkeit anspielt, Materie zu beeinflussen).

Dieser experimentelle Nachweis ist Gegenstand aktueller Forschung. Aufgrund der fehlenden Wechselwirkung mit jeder Materie können WIMPs nur indirekt nachgewiesen werden; inzwischen, 2007, gibt es für die Dunkle Materie jedoch konkrete experimentelle Hinweise, die aber das angeschnittene Problem nicht lösen. In extrem seltenen Fällen muss es vorkommen, dass ein WIMP direkt mit einem Atomkern zusammenstößt, der dadurch ebenfalls strahlen würde. Zum Nachweis dieser Strahlung benötigt man spezielle Detektoren, die nicht nur die Strahlung messen, sondern sie auch von der störenden Hintergrundstrahlung unterscheiden können.

Die derzeit empfindlichsten Experimente verwenden kryogene Detektoren (Detektoren, die bei sehr tiefen Temperaturen betrieben werden). Dazu gehören das amerikanische Experiment CDMS-II (Cryogenic Dark Matter Search) im Soudan Underground Laboratory, das französische-deutsche Experiment EDELWEISS (Experience pour DEtecter Les Wimps En Site Souterrain) im Laboratoire Souterrain de Modane und das deutsch-britische Experiment CRESST (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers) im Laboratori nazionali del Gran Sasso.

Ein von vielen angezweifeltes Ergebnis lieferte das italienische Experiment DAMA (DArk MAtter), ebenfalls im Laboratori nazionali del Gran Sasso. Die Experimentatoren behaupten, mit einem großen Detektor aus Natriumjodid (NaJ) ein Signal von WIMPs beobachtet zu haben. Dieses Ergebnis lässt sich aber nur schwer mit den Ergebnissen der anderen Experimente und den theoretischen Erwartungen vereinbaren.

Ein weiteres Teilchen, das zur Lösung dieses Problems vorgeschlagen wurde, ist das Axion. Dieses ebenfalls hypothetische Teilchen könnte unter anderem in Sternen produziert werden. Durch Wechselwirkung mit starken magnetischen Feldern kann es sich in ein Photon umwandeln, dessen Energie der des Axions entspricht. Axionen von der Sonne sollten so Photonen mit Frequenzen im Bereich der Röntgenstrahlung erzeugen. Das CAST-Experiment am CERN beschäftigt sich damit, dieses Teilchen mit einem 10-Tesla-Magneten nachzuweisen.