Die Jagd nach dunkler Materie intensiviert sich mit dem ersten Ergebnis des größten Detektors der Welt | Wissenschaft

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Physiker, die mit dem weltgrößten Detektor für dunkle Materie arbeiten – einem Giganten, der in den USA als LUX-ZEPLIN (LZ) bekannt ist – haben heute ihre ersten Ergebnisse veröffentlicht. Sie sehen keine Anzeichen dafür, wonach sie suchen, sogenannte Weakly Interacting Massive Particles oder WIMPs. Doch das Ergebnis weckt das Interesse der Teilchenphysiker, da sich die fast vier Jahrzehnte dauernde Forschung an WIMPs ihrem Höhepunkt nähert. Der US-Detektor zündet zeitgleich mit ähnlichen Detektoren in Italien und China, und zusammen stellen sie wahrscheinlich die vorletzte Generation von WIMP-Detektoren dar, wenn nicht die letzte.

Das neue Ergebnis stammt aus 65 Tagen Daten, die über einen Zeitraum von 4 Monaten ab Dezember 2021 gesammelt wurden, sagt Richard Gaitskell, Physiker und Mitglied des LZ der Brown University. Das ist ein winziger Bruchteil der 1.000 Tage an Daten, die LZ-Forscher in den nächsten 3 bis 5 Jahren sammeln wollen, sagt er, aber genug, um zu beweisen, dass der Detektor gut funktioniert und jetzt der empfindlichste der Welt ist. „Wir könnten einen Überschuss 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 sich Sterne in einer typischen Galaxie so schnell drehen, dass ihre kollektive Schwerkraft nicht ausreicht, um sie daran zu hindern, durch den Weltraum zu fliegen. Physiker gehen daher davon aus, dass eine Art unsichtbare dunkle Materie – vermutlich ein neues Teilchen – für die zusätzliche Gravitation sorgt, die nötig ist, um die Sterne am Boden zu halten.

Seit den 1980er Jahren glauben viele Physiker, dass dunkle Materie aus WIMPs besteht, die mit gewöhnlicher Materie nur durch die Schwerkraft und die schwache Kernkraft interagieren. WIMPs wären natürlich nach dem Urknall entstanden und sollten in ausreichender Zahl bestehen bleiben, um dunkle Materie zu erklären, vorausgesetzt, sie sind etwa 100-mal schwerer als ein Proton. Sie würden die Galaxie durchdringen und sogar uns durchdringen, aber hin und wieder müssten wir in einen Atomkern krachen. Um also nach WIMPs zu suchen, müssen Physiker nur tief unter der Erde nach Rückstoßkernen in Detektoren suchen, wo sie von anderen Arten von Strahlung abgeschirmt sind, die ebenfalls Rückstoßereignisse verursachen können.

In den letzten 20 Jahren haben Wissenschaftler immer größere Detektoren entwickelt, 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 erkennbaren Lichtblitz. Zusätzlich werden vom beschleunigenden Kern freigesetzte Elektronen durch ein elektrisches Feld zur Oberseite des Reservoirs gezogen, wodurch ein zweiter Blitz erzeugt wird. Durch den Vergleich der Größe und des Zeitpunkts von Blitzen können die Forscher zum Beispiel zurückprallende Kerne von zurückprallenden Elektronen unterscheiden, die durch Gammastrahlen erzeugt werden können, die auf den Detektor treffen. Das Xenon selbst trägt zur Abschirmung des Kerns des Tanks bei und reduziert dort die Hintergrundstrahlung erheblich.

Das zentrale Reservoir von LZ enthält 7 Tonnen flüssiges Xenon, das 1480 Meter tief in der unterirdischen Forschungseinrichtung Sanford in einer verlassenen Goldmine in der Nähe von Lead, South Dakota, versteckt ist. 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 bei einem Online-Seminar. Diese Zahl entspricht jedoch ungefähr den Hintergrundereignissen, die aufgrund unvermeidbarer Spuren radioaktiver Isotope wie Blei-214 in Xenon und anderen Quellen zu erwarten sind, berichtete Lippincott, sodass LZ nicht behaupten kann, WIMP entdeckt zu haben.

Aber das Nullergebnis hat immer noch Wert. Physiker können die Masse des WIMP nicht genau vorhersagen oder genau, wie gut es mit gewöhnlicher Materie interagieren sollte. LZ-Forscher haben bisher die strengsten Grenzen für die Stärke dieser Wechselwirkungen für WIMP-Massen zwischen etwa dem 10- und 10.000-fachen der eines Protons festgelegt. Die neuen LZ-Grenzwerte übersteigen die im Dezember 2021 von einem Team veröffentlichten PandaX-4T, einem 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 des 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 schweren Detektor im italienischen unterirdischen Gran Sasso National Laboratory. Dies 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 der Begeisterung für WIMPs als Kandidaten für dunkle Materie ist in den letzten Jahren abgeflaut, nicht nur, weil die Suche bisher leer blieb, sondern auch, weil der größte Atomzerstörer der Welt, Europas Large Hadron Collider, noch nichts zur Detonation gebracht hat, was wie ein Weichei. Die Physiker beginnen jedoch erst, den Kern möglicher Bereiche von Masse und Wechselwirkungsstärke für WIMPs zu untersuchen, sagt Rafael Lang, Physiker und Mitglied des XENON-Teams an der Purdue University. „Mit anderen Worten, die Hälfte der [possibilities] dass Sie vor etwa ein oder zwei Jahrzehnten begeistert waren, immer noch am Leben und wohlauf sind.

WIMP-Jäger entwerfen bereits den ultimativen Flüssig-Xenon-Detektor, ein Ungetüm von 80 Tonnen. „Das ist es, was 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 einen Partikelstrom namens Neutrinos 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.“