Cosmology

Der erste Durchlauf eines neuen Experiments mit dunkler Materie ergibt nichts – aber das sagt uns immer noch etwas.

Diese Ansicht blickt nach oben in den LZ Outer Detector, der verwendet wird, um Radioaktivität zu blockieren, die ein Signal dunkler Materie nachahmen kann. Matthew Kapust / Sanford Underground Research Facility

Der erste Lauf des weltweit empfindlichsten Detektors für dunkle Materie ist leer ausgegangen. Die sechzigtägige Datenerfassung durch das LUX-ZEPLIN (LZ)-Experiment ergab keine Beweise für das mysteriöse Zeug, enthüllten Wissenschaftler bei einem Webinar am 7. Juli.

Basierend auf Beobachtungen der galaktischen Rotation, des Gravitationslinseneffekts und des kosmischen Mikrowellenhintergrunds schließen Astrophysiker, dass nicht weniger als 85 % aller gravitativen Materie im Universum nicht aus bekannten Atomen und Molekülen bestehen kann. Stattdessen wird angenommen, dass diese unsichtbare (und transparente) dunkle Materie aus bisher unentdeckten Elementarteilchen besteht, die nicht in unser aktuelles Standardmodell der Teilchenphysik passen.

Das Problem ist, dass sie extrem schwer zu fangen sind, da sie kaum mit „normaler“ Materie interagieren. Ein solches schwach wechselwirkendes massives Teilchen (WIMP) würde ungehindert 10 Millionen Lichtjahre festes Blei passieren, bevor es auf einen Atomkern trifft, erklärt LZ-Sprecher Hugh Lippincott (University of California, Santa Barbara).

Andererseits sollten jede Sekunde Milliarden von relativ schweren Teilchen der Dunklen Materie Ihren Körper passieren, sodass es einem extrem empfindlichen Detektor gelingen könnte, hin und wieder seltene Wechselwirkungsereignisse zu registrieren.

LZ, das sich in der Sanford Underground Research Facility (SURF) in der Nähe von Lead, South Dakota, befindet, verwendet 7 Tonnen flüssiges Xenon, um nach dunkler Materie zu suchen. Das gereinigte Xenon wird sorgfältig von allen möglichen Quellen von Hintergrundgeräuschen wie kosmischer Strahlung und radioaktivem Zerfall abgeschirmt. Fast 500 Photomultiplier-Röhren halten Ausschau nach den winzigen Lichtblitzen, die entstehen würden, wenn ein WIMP auf einen Xenon-Kern prallt.

In einem auf der LZ-Website veröffentlichten Papier präsentiert die Zusammenarbeit von rund 250 Forschern aus 35 Instituten in vier Ländern (USA, Großbritannien, Portugal und Korea) ihre Analyse des ersten 60-tägigen Wissenschaftslaufs, der Ende letzten Jahres begann Jahr. Fazit: Alles funktioniert wie erwartet, oder sogar etwas besser, aber das Instrument hat keine WIMPs erkannt.

weißer, übermannsgroßer Detektor im Zentrum von LUXDer LZ-Zentraldetektor im Reinraum der Sanford Underground Research Facility nach der Montage, bevor er seine Reise unter Tage antritt. Matthew Kapust / Sanford Underground Research Facility

Noch nicht, das heißt. „Wir planen, in den kommenden Jahren etwa 20-mal mehr Daten zu sammeln“, sagte Lippincott in einer Presseerklärung, „also stehen wir erst am Anfang. Es gibt viel Wissenschaft zu tun und es ist sehr spannend!“

„Das ist natürlich etwas schade“, sagt Auke-Pieter Colijn (Nikhef Dutch National Institute for Subatomic Physics), technischer Koordinator eines konkurrierenden Detektors für dunkle Materie in Italien, „aber es kommt nicht unerwartet. Sie beginnen mit einem kurzen Lauf, um zu zeigen, dass alles funktioniert. Man muss sehr viel Glück haben, um sofort entdeckt zu werden.“

Der italienische Detektor, bekannt als XENONnT, hat ebenfalls seinen ersten 100-Tage-Lauf abgeschlossen. Die Datenanalyse ist in vollem Gange; Colijn rechnet damit, dass die Ergebnisse spätestens in ein paar Monaten präsentiert werden.

Wenn die aktuelle Generation von Xenon-basierten Detektoren keine Beweise für WIMPs findet, könnte ein viel größeres und empfindlicheres Instrument dies tun. Letzten Monat gaben drei internationale Kollaborationen (XENON, LZ und DARWIN) bekannt, dass sie ihre Kräfte bündeln würden, um „ein weiteres Xenon-Experiment zu entwerfen (und hoffentlich zu bauen), um sie alle zu beherrschen“, wie der LZ-Physikkoordinator Aaron Manalaysay (Lawrence Berkeley Lab) es ausdrückt . Die Jäger der Dunklen Materie geben noch nicht auf.


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