In einer ehemaligen Goldmine, eine Meile unter der Erde, in einem Titantank, der mit einem seltenen Flüssiggas gefüllt ist, haben Wissenschaftler mit der Suche nach dem bisher Unauffindbaren begonnen: der Dunklen Materie.
Wissenschaftler sind sich ziemlich sicher, dass das unsichtbare Zeug den größten Teil der Masse des Universums ausmacht, und sagen, dass wir ohne es nicht hier wären – aber sie wissen nicht, was es ist. Der Wettlauf um die Lösung dieses enormen Rätsels hat ein Team unter Lead, South Dakota, in die Tiefe geführt.
Die Frage für Wissenschaftler ist grundlegend, sagt Kevin Lesko, Physiker am Lawrence Berkeley National Laboratory. „Was ist das für ein großartiger Ort, an dem ich lebe? Im Moment sind 95 % davon ein Mysterium.“
Die Idee ist, dass eine Meile Erde und Felsen, ein riesiger Tank, ein zweiter Tank und das reinste Titan der Welt fast alle kosmischen Strahlen und Partikel blockieren, die jeden Tag um uns herum und durch uns alle schwirren. Aber Teilchen der Dunklen Materie, so glauben Wissenschaftler, können all diese Hindernisse umgehen. Sie hoffen, dass einer in den Bottich mit flüssigem Xenon im inneren Tank fliegt und wie zwei Bälle in einem Billardspiel in einen Xenonkern zerschmettert und seine Existenz in einem Lichtblitz offenbart, der von einem Gerät namens „Zeitprojektionskammer“ gesehen wird.
Wissenschaftler gaben am Donnerstag bekannt, dass die fünfjährige Suche im Wert von 60 Millionen US-Dollar nach einer durch die COVID-19-Pandemie verursachten Verzögerung vor zwei Monaten endlich begonnen wurde. Bisher hat das Gerät … nichts gefunden. Zumindest keine dunkle Materie.
Das ist in Ordnung, sagen sie. Die Ausrüstung scheint zu arbeiten, um den größten Teil der Hintergrundstrahlung herauszufiltern, die sie zu blockieren hofften. „Um nach dieser sehr seltenen Art von Wechselwirkung zu suchen, besteht die erste Aufgabe darin, zunächst alle gewöhnlichen Strahlungsquellen zu beseitigen, die das Experiment überfordern würden“, sagte der Physiker Carter Hall von der University of Maryland.
Und wenn alle ihre Berechnungen und Theorien richtig sind, gehen sie davon aus, dass sie nur ein paar flüchtige Anzeichen von Dunkler Materie pro Jahr sehen werden. Das Team aus 250 Wissenschaftlern schätzt, dass sie in den nächsten Jahren 20-mal mehr Daten erhalten werden.
Bis zum Ende des Experiments liegt die Wahrscheinlichkeit, mit diesem Gerät dunkle Materie zu finden, „wahrscheinlich unter 50 %, aber über 10 %“, sagte Hugh Lippincott, Physiker und Sprecher des Experiments, auf einer Pressekonferenz am Donnerstag.
Das ist zwar alles andere als sicher, aber „man braucht ein wenig Enthusiasmus“, sagte Lesko von Lawrence Berkeley. „Sie gehen nicht in die seltene Suchphysik, ohne die Hoffnung zu haben, etwas zu finden.“
Zwei riesige Hebezeuge aus der Zeit der Depression betreiben einen Aufzug, der Wissenschaftler zum sogenannten LUX-ZEPLIN-Experiment in der Sanford Underground Research Facility bringt. Ein 10-minütiger Abstieg endet in einem Tunnel mit kühl anfühlenden Wänden, die mit Netzen ausgekleidet sind. Doch die alte, muffige Mine führt bald zu einem Hightech-Labor, in dem Schmutz und Verunreinigungen der Feind sind. Helme werden gegen neue, sauberere ausgetauscht und eine doppelte Schicht babyblauer Stiefeletten wird über Sicherheitsstiefel mit Stahlkappen gezogen.
Das Herzstück des Experiments ist der riesige Tank namens Kryostat, sagte der leitende Ingenieur Jeff Cherwinka bei einer Tour im Dezember 2019, bevor das Gerät geschlossen und gefüllt wurde. Er beschrieb es als „wie eine Thermoskanne“ aus „dem vielleicht reinsten Titan der Welt“, das das flüssige Xenon kalt und die Hintergrundstrahlung auf einem Minimum halten soll.
Xenon ist etwas Besonderes, erklärte Experimentphysikkoordinator Aaron Manalaysay, weil es den Forschern ermöglicht zu sehen, ob eine Kollision mit einem seiner Elektronen oder mit seinem Kern erfolgt. Wenn etwas den Kern trifft, ist es eher die dunkle Materie, nach der alle suchen, sagte er.
Diese Wissenschaftler versuchten hier vor Jahren ein ähnliches, kleineres Experiment. Nachdem sie leer ausgegangen waren, dachten sie, dass sie viel größer werden müssten. Ein weiteres groß angelegtes Experiment ist in Italien im Gange, das von einem konkurrierenden Team geleitet wird, aber bisher wurden keine Ergebnisse bekannt gegeben.
Die Wissenschaftler versuchen zu verstehen, warum das Universum nicht so ist, wie es scheint.
Ein Teil des Rätsels ist die dunkle Materie, die bei weitem die meiste Masse im Kosmos hat. Astronomen wissen, dass es da ist, denn wenn sie die Sterne und andere normale Materie in Galaxien messen, stellen sie fest, dass die Schwerkraft nicht annähernd genug ist, um diese Haufen zusammenzuhalten. Wenn nichts anderes da draußen wäre, würden Galaxien „schnell auseinanderfliegen“, sagte Manalaysay.
„Es ist im Grunde unmöglich, unsere Beobachtung der Geschichte, des evolutionären Kosmos ohne dunkle Materie zu verstehen“, sagte Manalaysay.
Lippincott, Physiker an der University of California, Santa Barbara, sagte: „Ohne dunkle Materie wären wir nicht hier.“
Während also kaum Zweifel daran bestehen, dass dunkle Materie existiert, gibt es viele Zweifel darüber, was sie ist. Die führende Theorie besagt, dass es sich dabei um Dinge handelt, die WIMPs genannt werden – schwach interagierende massive Teilchen.
Wenn das der Fall ist, könnte LUX-ZEPLIN sie erkennen. Wir wollen herausfinden, „wo sich die Weicheier verstecken können“, sagte Lippincott.
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