WIMP

WIMPs (englisch weakly interacting massive particles ‚schwach wechselwirkende massereiche Teilchen‘; Wortspiel zu wimp ‚Schwächling‘) sind hypothetische Teilchen mit einer Masse zwischen einigen zehn und etwa tausend GeV/c² (1 GeV/c² ist etwas mehr als die Masse eines Neutrons oder Protons). WIMPs wurden postuliert, um das kosmologische Problem der dunklen Materie im Weltraum zu lösen.

Die Existenz dunkler Materie wird vermutet, 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“), aber an der Gravitation beteiligter Materie bestehen. Was man sich darunter vorzustellen hat, ist noch nicht klar.

Die dunkle Materie könnte aus schweren, elektrisch nicht geladenen, nur der Schwachen Wechselwirkung und der Gravitation unterliegenden WIMPs bestehen, die in großer Zahl den Raum durchqueren. Ein WIMP hätte eine Masse wie etwa zwei Goldatome und könnte wie ein Neutrino ganze Planeten praktisch ungestört durchfliegen. Das englische Wort „wimp“ bedeutet auf Deutsch „Schwächling“, was auf diese Unfähigkeit anspielt, Materie zu beeinflussen, und ist außerdem als Gegensatz zu den MACHOs zu verstehen, die ebenfalls als Hypothese für die Dunkle Materie vorgeschlagen wurden.

Der experimentelle Nachweis von WIMPs ist Gegenstand aktueller Forschung. Aufgrund der extrem seltenen Wechselwirkung mit jeder Materie versucht man, WIMPs indirekt durch ihre Zerfälle nachzuweisen. In äußerst seltenen Fällen muss es vorkommen, dass ein WIMP direkt mit einem Atomkern zusammenstößt, der dadurch in einen radioaktiven Kern umgewandelt würde. Die zum Nachweis nötigen Detektoren werden wie Neutrinodetektoren meist tief unter der Erde betrieben, um den Untergrund aus radioaktiver Hintergrundstrahlung und sekundärer kosmischer Strahlung zu vermeiden.

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 französisch-deutsche Experiment EDELWEISS (Experience pour DEtecter Les Wimps En Site Souterrain) im Laboratoire Souterrain de Modane,
• XENON Dark Matter Project im Gran-Sasso-Untergrundlabor
• das deutsch-britische Experiment CRESST (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers) in den Laboratori Nazionali del Gran Sasso,
• das italienische Experiment DAMA (DArk MAtter), ebenfalls in den Laboratori nazionali del Gran Sasso und
• das koreanische Experiment COSINE-100, welches die Ergebnisse von DAMA verifizieren soll.

DAMA lieferte 2007 ein von vielen angezweifeltes Ergebnis: die Experimentatoren behaupten, mit einem großen Detektor aus Natriumiodid (NaI) ein Signal von WIMPs beobachtet zu haben. Dieses Ergebnis lässt sich nur schwer mit den Ergebnissen der anderen Experimente und den theoretischen Erwartungen vereinbaren. Ergebnisse des COSINE-Experiments stellen die Resultate von DAMA ebenfalls in Frage.^[1]

Ein erweitertes Konzept sieht sogenannte Super-WIMPs vor,^[2] die durch Zerfall von WIMPs entstehen. Sie besitzen eine noch schwächere Wechselwirkung als WIMPs, da sie nur der Gravitation unterliegen.

Die Existenz von Super-WIMPs hätte Auswirkungen auf die Bildung von Galaxien. Super-WIMPs hätten sich im frühen Universum sehr schnell bewegt. Erst nachdem sie zur Ruhe gekommen wären, hätten sich Galaxien bilden können. Damit hätte auch die Materie im Zentrum der Galaxien weniger Zeit zur Verdichtung gehabt, was sich auch auf die Dichte im Zentrum der Dunkle-Materie-Halos ausgewirkt hätte. Auf diesem Wege ließe sich möglicherweise nachweisen, ob diese Halos aus WIMPs oder Super-WIMPs bestehen.

Eine weitere Nachweismöglichkeit könnte sich durch den Zerfall von WIMPs in Super-WIMPs selbst ergeben, da hierbei Photonen und Elektronen entstehen könnten, die leichte Atomkerne aufbrechen würden, wenn sie auf diese träfen. Hinweise darauf, dass das Universum weniger Lithium als erwartet enthält, könnten hierdurch erklärt werden.

Ein anderes Teilchen, das zur Lösung des Problems der Dunklen Materie vorgeschlagen wurde, ist das Axion. Dieses ebenfalls hypothetische Teilchen könnte unter anderem in Sternen produziert werden. Durch Wechselwirkung mit starken magnetischen Feldern könnte 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 9-Tesla-Magneten nachzuweisen.

Vermutungen, bei der Dunklen Materie handele es 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.

Nach Jonathan Feng von der University of California in Irvine und Jason Kumar von der University of Hawaii in Manoa lässt die Supersymmetrie auch alternative Konzepte ohne WIMPs zu, mit mehreren, anderen Teilchenarten.^[2] Viele dieser Konzepte gehen zudem von der Existenz „dunkler Kräfte“ aus, verborgener Versionen der schwachen und der elektromagnetischen Kraft. Die Existenz eines dunklen Elektromagnetismus würde dazu führen, dass die dunkle Materie in der Lage wäre, verborgenes Licht auszusenden und zu reflektieren. Auch wenn ein solches Licht und die dunklen Kräfte für uns verborgen blieben, könnten sie sich doch auswirken. Wolken dunkler Teilchen, die sich gegenseitig durchdringen, würden verzerrt, was auch Auswirkungen auf Objekte wie Galaxienhaufen haben könnte. Entsprechende Untersuchungen am Bullet-Cluster haben ergeben, dass dieser Effekt zumindest nicht sehr stark sein kann. Die dunklen Kräfte, sofern sie existieren, sind also nur schwach.

Ein weiterer Effekt würde sich dadurch ergeben, dass dunkle Kräfte den Teilchen der dunklen Materie den Austausch von Energie und Impuls ermöglichen würden. Dunkle-Materie-Halos, die anfänglich schief gewesen wären, würden im Laufe der Zeit kugelförmig, was wiederum Auswirkung auf Galaxien hätte, insbesondere auf Zwerggalaxien. Dunkle Materie in deren Umgebung bewegt sich besonders langsam. Das führt dazu, dass Teilchen länger beieinanderbleiben. Kleine Effekte haben somit mehr Zeit, sich auszuwirken. Die Beobachtung, dass kleine Galaxien durchweg runder als große sind, ließe sich hierdurch erklären, was ein Indiz für die Existenz dunkler Kräfte wäre.

• Leichtestes supersymmetrisches Teilchen

• Übersichtsartikel zur WIMP-Suche – Particle Data Group (englisch; PDF; 124 KiB)
• Timothy J. Sumner, Experimental Searches for Dark Matter in Living Reviews in Relativity, Vol 5, 2002 (englisch)
• CAST-Experiment am CERN
• EDELWEISS-Experiment
• CRESST
• Was sind WIMP's? – Interview mit Prof. Dr. Josef Jochum von der Uni Tübingen

1. ↑ Govinda Adhikari, et al.: Strong constraints from COSINE-100 on the DAMA dark matter results using the same sodium iodide target. In: Science Advances. Band 7, Nr. 46, doi:10.1126/sciadv.abk2699, PMID 34757778, PMC 8580298 (freier Volltext) – (science.org [abgerufen am 20. November 2021]). 
2. ↑ ^{a b} Jonathan Feng, Mark Trodden: Der verborgene Bauplan des Kosmos. In: Spektrum der Wissenschaft, Januar 2011. Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg.