Dunkler Materie auf der Spur: Kann Zucker als neuartiges Detektormaterial dienen?
Ein alltäglicher Stoff rückt in den Fokus der Grundlagenforschung: Haushaltszucker. Physikerinnen und Physiker prüfen derzeit, ob Saccharose-Kristalle dazu geeignet sind, extrem leichte Teilchen der Dunklen Materie aufzuspüren. Erste Experimente liefern überraschende Ergebnisse.
Die Dunkle Materie gilt als eines der größten Rätsel der modernen Physik. Obwohl sie immerhin 27 Prozent der Materie im Universum ausmachen soll, entzieht sie sich jeder direkten Beobachtung und lässt sich allein durch ihre gravitative Wirkung belegen. Welche Teilchen sich hinter diesem Phänomen verbergen, ist offen – diskutiert werden Kandidaten mit ganz unterschiedlichen Massen.
Seit einiger Zeit konzentriert sich die Forschung verstärkt auf besonders leichte Teilchen, beispielsweise die leichten WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Deren Nachweis stellt die Wissenschaftler jedoch vor neue experimentelle Herausforderungen, denn herkömmliche Detektoren sind auf schwerere Teilchen ausgelegt, wie die normalen WIMPs.
Am Max-Planck-Institut für Physik (MPP) geht man deshalb ungewöhnliche Wege. Dort hat eine Arbeitsgruppe erstmals Saccharose, also gewöhnlichen Kristallzucker, als mögliches Detektormaterial untersucht. Die Idee klingt zunächst exotisch, doch sie folgt einer klaren physikalischen Logik.
Wie Billardkugeln und Murmeln
Zum Einsatz kommt das Experiment CRESST, das speziell für sogenannte leichte WIMPs konzipiert ist. Das Messprinzip lässt sich mit einem Billardstoß vergleichen: Trifft ein Dunkle-Materie-Teilchen auf einen Atomkern im Kristall, wird dieser minimal ausgelenkt. Diese winzige Rückstoßenergie äußert sich in einem kaum messbaren Temperaturanstieg und einem schwachen Lichtsignal. Für sehr leichte Teilchen sind entsprechend leichte Atomkerne von Vorteil.
– Federica Petricca, MPP-Wissenschaftlerin, Sprecherin von CRESST
Zucker erwies sich dabei als überraschend attraktiv. Saccharose-Kristalle bestehen aus Kohlenstoff, Sauerstoff und gleich 22 Wasserstoffatomen. Da Wasserstoff mit nur einem Proton das leichteste Element überhaupt ist, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass selbst extrem leichte Teilchen eine messbare Spur hinterlassen.
Eigenes Zuckerdesign
Allerdings reicht Supermarktware nicht aus. „Da wir für unsere Experimente besonders reine und große Kristalle benötigen, müssen wir sie in einem aufwendigen Verfahren, das mehrere Wochen dauert, selbst züchten“, erläutert Federica Petricca, Wissenschaftlerin am MPP und Sprecherin von CRESST. Die Herstellung ist komplex und verlangt höchste Reinheit.
In ersten Tests wurden die Zuckerkristalle mit hochsensiblen Temperatur- und Lichtsensoren ausgestattet und mit einer radioaktiven Quelle bestrahlt. Tatsächlich registrierten die Forschenden sowohl Lichtsignale als auch minimale Erwärmungen. „Das Ergebnis hat uns selbst überrascht, denn Saccharose bildet einen eher weichen Kristall“, sagt Petricca.
Trotz dieser Einschränkungen zieht das Team eine positive Zwischenbilanz. „Wir haben erstmals gezeigt, dass Zucker sich grundsätzlich als Material für den Nachweis Dunkler Materie eignet“, so Petricca. „Allerdings wird sich erst nach vielen weiteren Tests und im Vergleich mit anderen Materialien zeigen, ob ein Detektor aus Saccharose zu realisieren ist.“
Quellenhinweis:
Bento, A., Casadei, F., Cipelli, E., Di Lorenzo, S., Dominsky, F., Guillaumon, P. V., Hauff, D., Langenkämper, A., Mancuso, M., Mauri, B., Moore, C., Petricca, F., Pröbst, F., & Zanirato, M. (2026): The SWEET project: probing sugar crystals for direct dark matter searches. IEEE Transactions on Applied Superconductivity.