Neue Analyse von SuperCDMS-Daten legt strengere Nachweisgrenzen für Dunkle Materie fest

Seit fast einem Jahrhundert entgeht die Dunkle Materie weiterhin dem direkten Nachweis, was Wissenschaftler dazu drängt, noch kreativere Suchmethoden zu entwickeln. Immer empfindlichere Nachweisexperimente sind jedoch ein großes Unterfangen, weshalb Wissenschaftler sicherstellen möchten, dass sie die Daten aus diesen Experimenten so gründlich und zuverlässig wie möglich analysieren.

Vor diesem Hintergrund hat die Zusammenarbeit Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS) eine Neuanalyse zuvor veröffentlichter experimenteller Daten veröffentlicht. Ihre kürzlich veröffentlichte Studie in Körperliche Untersuchung Dbeschreibt die Suche des Teams nach dunkler Materie mithilfe zweier Prozesse namens Bremsstrahlung und Migdal-Effekt.

In einer einzigartigen Analyse arbeitete das Team auch mit Geologen zusammen, um zu untersuchen, wie die Atmosphäre und die innere Zusammensetzung der Erde mit Teilchen der Dunklen Materie interagieren, um deren Energie aufzulösen. Die Analyse stellt einen der bisher engsten Grenzwerte für die Erkennung dunkler Materie dar und bereitet die Voraussetzungen für zukünftige Suchen nach dunkler Materie.

„Während wir nach dunkler Materie suchen, müssen wir die Nachweisempfindlichkeit erhöhen“, sagte Noah Kurinksy, wissenschaftlicher Mitarbeiter am SLAC und korrespondierender Autor der Studie. „Für die Gemeinschaft der Dunklen Materie ist es sehr wichtig, bessere Möglichkeiten zu haben, diese Prozesse zu modellieren und diese Art von Messungen zu verstehen.“

Unsichtbare Streuung

In einem Experiment wie SuperCDMS suchen Physiker nach Anzeichen dafür, dass dunkle Materie mit den Atomkernen – den Protonen und Neutronen – im Inneren eines Materials wie Silizium und Germanium kollidiert ist.

Üblicherweise geht man davon aus, dass die Kollision elastisch ist, wenn ein Teilchen aus dunkler Materie auf einen Kern prallt: Jegliche Energie, die das Teilchen aus dunkler Materie verliert, wird in die Bewegung des Kerns übertragen, sodass beide Teilchen zurückstoßen. „Ein typisches Beispiel für die Streuung von Billardkugeln“, erklärte Kurinsky.

In den letzten Jahren haben Forscher jedoch vorgeschlagen, dass dunkle Materie durch inelastische Kollisionen nachgewiesen werden könnte, bei denen die Energie der Kollision auf etwas anderes übertragen wird, das möglicherweise leichter zu erkennen ist, beispielsweise Photonen oder Elektronen. Dies könnte zu empfindlicheren Detektionsfähigkeiten für Experimente zur Detektion dunkler Materie führen.

Angesichts der Tatsache, dass das SuperCDMS-Experiment bereits einer der empfindlichsten Detektoren für dunkle Materie seiner Art ist, „wollten wir wissen, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass wir diesen bestimmten Signaltyp in SuperCDMS-Daten sehen“, sagte Daniel Jardin, Mitautor von die neue Studie und ein Postdoktorand an der Northwestern University, der bei der Leitung der Analyse mitgewirkt hat.

Das Team konzentrierte sich auf zwei mögliche Wege für das Auftreten inelastischer Kollisionen: Bremsstrahlung und den Migdal-Effekt.

Bremsstrahlung ist ein bekanntes und bereits beobachtetes Phänomen, das durch die Abbremsung eines geladenen Teilchens verursacht wird – das Wort ist deutsch für „Bremsstrahlung“. In einem Detektor für dunkle Materie könnte dies passieren, wenn ein Teilchen aus dunkler Materie mit einem Kern kollidiert, der dann einen Teil seiner Energie auf ein Photon überträgt, anstatt nur zurückzuweichen. Wenn dieses Photon entdeckt würde, würde es darauf hindeuten, dass ein mysteriöses, sich schnell bewegendes Teilchen – möglicherweise dunkle Materie – in den Kern einschlug und das Photon fliegen ließ.

Ein weiterer möglicher Modus für inelastische Kollisionen ist der Migdal-Effekt. Obwohl dies noch experimentell nachgewiesen werden muss, besteht die Idee darin, dass, wenn ein Teilchen der Dunklen Materie auf einen Kern trifft, dieser Kern aus dem Zentrum seiner Elektronenwolke geschleudert wird. Nach sehr kurzer Zeit richtet sich die Elektronenwolke um den Kern herum neu aus und stößt Elektronen aus, die Forscher nachweisen konnten. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler berechnet, wie ein solches Signal aussehen würde, wenn es in Detektoren für dunkle Materie auftreten würde.

Eine erneute Analyse der Daten unter Berücksichtigung inelastischer Prozesse ergab keine Hinweise auf dunkle Materie, sagte Jardin, aber „jede dieser Analysen erweiterte die bestehenden Grenzen des Experiments auf niedrigere Massen.“ Eine frühere SuperCDMS-Datenanalyse schloss dunkle Materieteilchen mit einer Masse aus, die so gering wie die des Protons ist. Unter Berücksichtigung der Bremsstrahlung kann das Experiment nun Partikelmassen der Dunklen Materie bis zu etwa einem Fünftel der Protonenmasse ausschließen – und sogar noch geringere Massen, wenn der hypothetische Migdal-Effekt berücksichtigt wird.

Wenn die Erde im Weg steht

Aber die Forscher hörten hier nicht auf. „Wir wollten Innovationen schaffen, die über die Übernahme dieser Ideen und deren Anwendung auf unsere Daten hinausgehen“, sagte Jardin. „Also haben wir andere Dinge hinzugefügt, die sonst niemand gemacht hat.“

Jardin und seine Kollegen erweiterten nicht nur die unteren Nachweisgrenzen für Wechselwirkungen mit Dunkler Materie, sondern berücksichtigten auch die Obergrenze. „Forscher auf diesem Gebiet erkennen jetzt, dass dunkle Materie, wenn sie stark genug interagiert, auf ihrem Weg zum Detektor, der tief unter der Erde liegt, mit der Atmosphäre und der Erde interagieren könnte. Bei dieser Interaktion gibt es tatsächlich eine Obergrenze, wo man sich befinden würde.“ „Es wird von der Erde selbst blockiert“, sagte Jardin.

Insbesondere gilt: Je stärker Dunkle Materie auf ihrem Weg zum Detektor mit anderen Materiearten wechselwirkt, desto mehr Energie verliert sie. Irgendwann könnte ein Teilchen der Dunklen Materie so viel Energie verlieren, dass es, wenn es den Detektor erreicht, kein erkennbares Signal mehr erzeugen kann.

Um die Energiegrenze für Teilchen dunkler Materie zu berechnen, die das SuperCDMS-Experiment erreichen, haben die Forscher modelliert, wie sich die Dichte der Erdatmosphäre und der inneren Schichten auf ein Teilchen dunkler Materie auswirken könnte, das durch unseren Planeten zum Detektor schlägt. Das Team arbeitete mit Geologen zusammen, die die genaue Zusammensetzung des Bodens und Gesteins rund um den Detektor in der Sudan-Mine in Minnesota bestimmten.

Mit diesen Informationen könnte das Team Obergrenzen für die Wechselwirkungsstärke der Dunklen Materie festlegen, je nachdem, woher das Teilchen kommt, sei es direkt über dem Detektor oder auf der anderen Seite der Erde.

Nach der Analyse der SuperCDMS-Daten mit den neuen Modellen, die durch den Bremsstrahlungs- und Migdal-Effekt erstellt wurden, und den neuen Obergrenzen konnte das Team den Bereich der Teilchenmassen erweitern, für den das Experiment empfindlich war, fand jedoch keine Hinweise auf Wechselwirkungen mit dunkler Materie. Dennoch stellt die Analyse eine der heikelsten Untersuchungen nach ultraleichter Dunkler Materie dar und hat den Forschern geholfen, mehr Informationen aus vorhandenen Daten zu gewinnen.

„Wir haben viel in dieses Experiment gesteckt und wollen das Beste daraus machen“, sagte Jardin. „Wir kennen die Masse der Dunklen Materie wirklich nicht und wir wissen nicht, wie sie mit der Materie interagiert. Wir greifen einfach in die Dunkelheit vor, so gut wir können.“