Die Jagd nach dunkler Materie heizt sich mit dem ersten Ergebnis des weltgrößten Detektors auf | Wissenschaft

Home » Die Jagd nach dunkler Materie heizt sich mit dem ersten Ergebnis des weltgrößten Detektors auf | Wissenschaft

Physiker, die mit dem weltgrößten Detektor für dunkle Materie arbeiten – einem Giganten, der in den Vereinigten Staaten als LUX-ZEPLIN (LZ) bekannt ist – haben heute ihre ersten Ergebnisse veröffentlicht. Sie sehen keine Anzeichen dafür, wonach sie suchen, sogenannte schwach wechselwirkende massive Teilchen oder WIMPs. Dennoch weckt das Ergebnis das Interesse der Teilchenphysiker, da sich die fast 4 Jahrzehnte lange Suche nach WIMPs einem Höhepunkt nähert. Der US-Detektor wird zur gleichen Zeit wie ähnliche Detektoren in Italien und China eingeschaltet, und zusammen stellen sie wahrscheinlich die vorletzte Generation von WIMP-Detektoren dar, wenn nicht die letzte.

Der neue Befund stammt aus Daten von 65 Tagen, die über einen Zeitraum von 4 Monaten ab Dezember 2021 aufgenommen wurden, sagt Richard Gaitskell, Physiker und LZ-Mitglied von der Brown University. Das ist ein winziger Bruchteil der 1000 Tage an Daten, die LZ-Forscher in den nächsten 3 bis 5 Jahren übernehmen wollen, sagt er, aber genug, um zu beweisen, dass der Detektor gut funktioniert und jetzt der empfindlichste der Welt ist. „Wir wären in der Lage, einen Überschuss zu sehen [of events] wenn es einen gäbe“, sagt Gaitskell, „aber es gibt keinen.“

Es wird angenommen, dass dunkle Materie 85% aller Materie ausmacht. Astronomische Beobachtungen zeigen zum Beispiel, dass die Sterne in einer typischen Galaxie so schnell wirbeln, dass ihre kollektive Schwerkraft nicht ausreicht, um sie davon abzuhalten, ins All zu fliegen. Physiker gehen also davon aus, dass eine Art unsichtbare dunkle Materie – vermutlich ein neues Teilchen – die zusätzliche Gravitation liefert, die erforderlich ist, um die Sterne einzudämmen.

Seit den 1980er Jahren dachten viele Physiker, dass dunkle Materie aus WIMPs besteht, die mit gewöhnlicher Materie nur durch die Schwerkraft und die schwache Kernkraft interagieren würden. WIMPs wären nach dem Urknall auf natürliche Weise entstanden und sollten in ausreichender Zahl verweilen, um die dunkle Materie zu erklären, vorausgesetzt, sie sind etwa 100-mal so massereich wie ein Proton. Sie würden die Galaxie durchdringen und sogar uns passieren, aber gelegentlich sollte man in einen Atomkern krachen. Um also nach WIMPs zu suchen, müssen Physiker nur nach Rückstoßkernen in Detektoren tief unter der Erde suchen, wo sie von anderen Arten von Strahlung abgeschirmt sind, die ebenfalls Rückstoßereignisse verursachen können.

Seit 20 Jahren entwickeln Wissenschaftler immer größere Detektoren, die aus Tanks mit flüssigem Xenon bestehen, die oben und unten mit Licht detektierenden Fotoröhren ausgekleidet sind. Wenn ein WIMP auf einen Kern trifft, erzeugt der zurückprallende Kern einen nachweisbaren Lichtblitz. Außerdem werden Elektronen, die durch den sich beschleunigenden Kern freigesetzt werden, durch ein elektrisches Feld zur Oberseite des Tanks gezogen, wodurch ein zweiter Blitz erzeugt wird. Durch den Vergleich der Größe und des Zeitpunkts der Blitze können die Forscher zurückprallende Kerne beispielsweise von zurückprallenden Elektronen unterscheiden, die durch Gammastrahlen erzeugt werden können, die auf den Detektor treffen. Das Xenon selbst trägt dazu bei, das Herz des Tanks abzuschirmen, wodurch die Hintergrundstrahlung dort stark reduziert wird.

Der zentrale Tank von LZ enthält 7 Tonnen flüssiges Xenon, das 1480 Meter tief in der Sanford Underground Research Facility in einer verlassenen Goldmine in der Nähe von Lead, South Dakota, kauert. LZ-Forscher sehen 335 nukleare Rückstoßereignisse in ihrem Detektor, berichtete Hugh Lippincott, Physiker an der University of California, Santa Barbara, und Sprecher des 287-köpfigen LZ-Teams, heute in einem Online-Seminar. Diese Zahl entspricht jedoch ungefähr den Hintergrundereignissen, die von unvermeidlichen Spuren radioaktiver Isotope wie Blei-214 im Xenon und anderen Quellen erwartet werden, berichtete Lippincott, sodass LZ nicht behaupten kann, WIMPs entdeckt zu haben.

Aber das Null-Ergebnis hat immer noch einen Wert. Physiker können die Masse des WIMP nicht genau vorhersagen oder genau, wie stark es mit gewöhnlicher Materie interagieren sollte. Die LZ-Forscher setzten der Stärke dieser Wechselwirkungen bisher die strengsten Grenzen für WIMP-Massen zwischen etwa dem 10- und 10.000-fachen der eines Protons. Die neuen Grenzwerte von LZ gehen über die hinaus, die im Dezember 2021 von einem Team veröffentlicht wurden, das PandaX-4T verwendet, einen 3,7 Tonnen schweren Flüssig-Xenon-Detektor im chinesischen Jinping Underground Laboratory.

Angesichts der bescheidenen Datenmenge von LZ und der früheren experimentellen Grenze von PandaX ist das Nullergebnis kaum überraschend, sagt Dan Hooper, Theoretiker am Fermi National Accelerator Laboratory. Dennoch sagt Hooper, er sei gespannt auf die Ergebnisse von LZ, PandaX-4T und einem dritten Experiment, XENONnT, einem 5,9-Tonnen-Detektor im italienischen unterirdischen Gran Sasso National Laboratory. Es ist die vierte Iteration der XENON-Zusammenarbeit, und es wird erwartet, dass die ersten Ergebnisse noch in diesem Jahr veröffentlicht werden. Der Wettbewerb wird alle Teams dazu bringen, härter zu arbeiten, sagt Hooper. „Der Physiker-Kapitalist in mir findet das gut.“

Ein Teil des Enthusiasmus für WIMPs als Kandidaten für Dunkle Materie hat in den letzten Jahren nachgelassen, nicht nur, weil die Suche bisher erfolglos blieb, sondern auch, weil der größte Atomzertrümmerer der Welt, Europas Large Hadron Collider, noch nichts zu sprengen hat, was aussieht wie ein WIMP. Physiker beginnen jedoch erst jetzt, den Kern der möglichen Bereiche von Masse und Wechselwirkungsstärke für WIMPs zu untersuchen, behauptet Rafael Lang, Physiker und XENON-Teammitglied an der Purdue University. „Mit anderen Worten, die Hälfte der [possibilities] dass Sie vor etwa ein oder zwei Jahrzehnten aufgeregt waren, sind immer noch am Leben und wohlauf.“

WIMP-Jäger skizzieren bereits den ultimativen Flüssig-Xenon-Detektor, einen 80-Tonnen-Giganten. „Das ist es, was die Technologie leisten kann“, sagt Gaitskell. Ein solcher Detektor würde den flüssigen Xenon-Ansatz an seine Grenzen bringen, da er bei dieser Größe empfindlich genug wäre, um eine Flut von Teilchen, die Neutrinos genannt werden, von der Sonne zu erfassen. Diese unvermeidlichen Ereignisse wären nicht von WIMP-Kollisionen zu unterscheiden, was es mehr oder weniger sinnlos macht, einen größeren Flüssig-Xenon-Detektor zu bauen. Laut Lang haben die Teams von LZ und XENON bereits begonnen, gemeinsam an einem Konzept zu arbeiten. „Ich bin begeistert, dass unsere Kollaborationen ihre Kräfte gebündelt haben.“