Der größte Teil der Materie im Universum fehlt. Wissenschaftler gehen davon aus, dass etwa 85 Prozent der Materie im Kosmos aus unsichtbarer Dunkler Materie besteht, die bisher nur indirekt durch ihre Gravitationswirkung auf ihre Umgebung nachgewiesen werden konnte.
Meine Kollegen und ich – ein Team von rund 250 Wissenschaftlern aus aller Welt – arbeiten an einem Experiment zur Dunklen Materie namens LUX-ZEPLIN (oder LZ) – berichten über unsere neuesten Erkenntnisse aus der langen Suche nach der genauen Entdeckung, woraus diese dunkle Materie besteht.
Wir haben die schwer fassbaren Teilchen, aus denen unserer Meinung nach die dunkle Materie besteht, noch nicht gefunden, aber wir haben ihre Eigenschaften bisher engsten Grenzen gesetzt. Wir haben auch gezeigt, dass unser Detektor wie erwartet funktioniert – und in Zukunft noch bessere Ergebnisse liefern sollte.
Unsere Ergebnisse finden Sie im TeV-Partikel-Astrophysik-Konferenz 2024 in Chicago und der LIDINE 2024 Konferenz in São Paulo, Brasilien. Ein Zeitschriftenartikel wird zur Begutachtung durch Fachkollegen eingereicht.
Was ist dunkle Materie?
Wenn Astronomen das Universum betrachten, sehen sie Beweise dafür, dass die sichtbare Materie der Sterne, des Gases und der Galaxien nicht alles ist, was es gibt. Viele Phänomene, wie die Geschwindigkeit, mit der Galaxien rotieren und das Muster des Restglühens des Urknalls, können nur durch die Anwesenheit großer Mengen einer unsichtbaren Substanz erklärt werden – der dunklen Materie.
Woraus besteht diese dunkle Materie? Wir kennen derzeit keine Teilchenart, die diese astronomischen Beobachtungen erklären könnte.
Es gibt Dutzende Theorien, die die Beobachtungen dunkler Materie erklären sollen. Dabei geht es um unbekannte exotische Teilchen, winzige schwarze Löcher oder grundlegende Änderungen unserer Gravitationstheorie. Bisher konnte jedoch keine davon als richtig bewiesen werden.
Eine der gängigsten Theorien geht davon aus, dass dunkle Materie aus sogenannten „schwach wechselwirkenden massiven Teilchen“ (oder WIMPs) besteht. Diese relativ schweren Teilchen könnten die beobachteten Gravitationseffekte verursachen und – in sehr seltenen Fällen – auch mit gewöhnlicher Materie interagieren.
Wie können wir wissen, ob diese Theorie stimmt? Nun, wir gehen davon aus, dass diese Partikel ständig durch die Erde strömen. Meistens passieren sie sie, ohne mit irgendetwas zu interagieren, aber hin und wieder kann ein WIMP direkt in den Kern eines Atoms krachen – und diese Kollisionen versuchen wir zu erkennen.
Ein großer Kalttank mit flüssigem Xenon
Das LZ-Experiment befindet sich in einer alten Goldmine etwa 1.500 Meter unter der Erde in South Dakota in den USA. Die Platzierung des Experiments tief unter der Erde hilft dabei, so viel Hintergrundstrahlung wie möglich auszuschließen.
Das Experiment besteht aus einem großen doppelwandigen Tank, der mit sieben Tonnen flüssigem Xenon gefüllt ist, einem auf eine Temperatur von 175 Kelvin (–98 °C) gekühlten Edelgas.
Wenn ein Dunkle-Materie-Teilchen auf einen Xenon-Atomkern prallt, sollte es einen winzigen Lichtblitz abgeben. Unser Detektor verfügt über 494 Lichtsensoren, um diese Blitze zu registrieren.
Wissenschaftler schließen den Bau des Sensorarrays für das LZ-Experiment ab.
Natürlich sind dunkle Materieteilchen nicht die einzigen Dinge, die diese Blitze erzeugen können. Es gibt immer noch eine gewisse Hintergrundstrahlung aus der Umgebung und sogar aus den Materialien des Tanks und der Detektoren selbst.
Um herauszufinden, ob wir Anzeichen von Dunkler Materie sehen, müssen wir diese Hintergrundstrahlung von allem Exotischeren trennen. Dazu führen wir detaillierte Simulationen der Ergebnisse durch, die wir mit und ohne Dunkle Materie erwarten würden.
Diese Simulationen bildeten den Schwerpunkt meines Teils des Experiments, das mit Beginn meiner Promotion im Jahr 2015 begann. Ich entwickelte auch Sensoren zur Detektorüberwachung und war für die Integration und Inbetriebnahme des zentralen unterirdischen Detektors verantwortlich, der 2021 mit der Datenerfassung begann.
Das Netz enger spannen
Unsere neuesten Ergebnisse zeigen keine Anzeichen von dunkler Materie. Sie lassen uns jedoch viele Möglichkeiten ausschließen.
Von Teilchen mit einer Masse über 1,6 × 10–26 Kilogramm fanden wir keine Spuren. Das ist etwa das Zehnfache des Gewichts eines Protons.
Diese Ergebnisse basieren auf Beobachtungen des Detektors über einen Zeitraum von 280 Tagen. Letztendlich möchten wir Daten von 1.000 Tagen sammeln, um nach noch schwerer fassbaren potenziellen Dunkle-Materie-Partikeln suchen zu können.
Wenn wir Glück haben, könnten wir in den neuen Daten dunkle Materie finden. Wenn nicht, haben wir bereits begonnen, Pläne für ein Experiment der nächsten Generation zu schmieden. Das XLZD (XENON-LUX-ZEPLIN-DARWIN)-Konsortium hat sich zum Ziel gesetzt, einen fast zehnmal größeren Detektor zu bauen, der es uns ermöglichen würde, einen noch größeren Teil des Weltraums zu durchforsten, in dem sich diese allgegenwärtigen, aber schwer fassbaren Teilchen verbergen könnten.
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