Nach Jahren der Pionierarbeit haben Forscher des SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums die Detektortürme fertiggestellt, die bald das Herzstück des Experiments SuperCDMS SNOLAB zur Detektion dunkler Materie bilden werden.
Das Team hat den Bau der Türme im vergangenen September abgeschlossen, und SLAC, das das SuperCDMS-Projekt leitet, hat Anfang dieses Monats die ersten beiden Türme an SNOLAB in Ontario, Kanada, geschickt.
SuperCDMS SNOLAB wird nach relativ leichten Teilchen dunkler Materie suchen, die zwischen etwa der halben Masse des Protons und etwa 10 Protonenmassen liegen, und in diesem Bereich wird es das weltweit empfindlichste Direktdetektionsexperiment sein, sagte Richard Partridge, ein leitender Wissenschaftler bei SLAC und langjähriger SuperCDMS-Forscher. Diese Leistung sei auf zwei Dinge zurückzuführen: Verbesserungen im Detektordesign und am Ort des Experiments selbst, sagte Partridge.
„Es hat viel Spaß gemacht“, sagte Partridge. „Wir haben viele neue Dinge gelernt und einige wirklich interessante Technologien entwickelt“, darunter flexible supraleitende Kabel, elektronische Systeme, die bei extremer Kälte funktionieren, und verbesserte Kryotechniksysteme – zusammen mit Fortschritten bei der Abschirmung der Detektoren –, die dies getan haben Dadurch konnten die Detektoren und umgebenden Systeme besser als je zuvor vorbeiziehende dunkle Materie wahrnehmen.
Das Experiment wird auch von seinem neuen Standort 1,25 Meilen unter der Erde bei SNOLAB profitieren, wo der Hintergrund der kosmischen Strahlung die Bemühungen, ein Signal für dunkle Materie zu finden, weniger beeinträchtigen wird.
„SNOLAB und SuperCDMS sind füreinander geschaffen“, sagte SNOLAB-Geschäftsführerin Jodi Cooley. „Wir freuen uns sehr über das Potenzial von SuperCDMS, dunkle Materie direkt zu erkennen und unsere Erkenntnisse über die Natur des Universums zu erweitern.“
Vitaly Yakimenko, stellvertretender Direktor für Projekte und Infrastruktur des SLAC und SuperCDMS-Projektleiter, sagte, die Forscher freuen sich darauf, das Experiment online zu stellen. „Der Bau dieser hochmodernen Detektoren hat zehn Jahre technologischer Entwicklung in Anspruch genommen“, sagte er. Das Team hofft, dass das Experiment Anzeichen von illusorischen Teilchen der Dunklen Materie erfassen wird, aber unabhängig vom Ergebnis wird es einen Weg für noch empfindlichere Experimente ebnen, sagte Yakimenko. „Das ist eine große Leistung.“
JoAnne Hewett, Leiterin der Direktion für Grundlagenphysik des SLAC und Forschungsleiterin des Labors, sagte, sie sei mit dem Fortschritt des Experiments zufrieden. „Das Verständnis der Dunklen Materie ist einer der wichtigsten Forschungsbereiche, sowohl weltweit als auch hier am SLAC“, sagte Hewett. „Wir freuen uns, diesen Meilenstein zu erreichen und mit unseren Partnern zusammenzuarbeiten, um dieses hochmoderne Experiment aufzubauen.“
Suche tief unter der Erde
Wissenschaftler wissen, dass die gesamte sichtbare Materie im Universum – all der Staub, die Planeten und Sterne, die wir bereits mit Teleskopen entdecken können – nur etwa 15 % dessen ausmacht, was tatsächlich da draußen ist. Der Rest ist dunkle Materie, aber niemand weiß genau, was das ist. Physiker können es an der Anziehungskraft auf gewöhnliche Materie erkennen, aber ansonsten ist es sehr schwer zu entdecken.
Hier kommen Experimente wie SuperCDMS SNOLAB ins Spiel. Das Projekt ist die neueste Folge einer Reihe von Experimenten, bei denen Silizium- und Germaniumkristalle verwendet werden, um Teilchen der Dunklen Materie zu finden. Diese Kristalle werden auf einen Bruchteil eines Grads über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt – daher der Name des Experiments: Cryogenic Dark Matter Search oder CDMS. Die Hoffnung besteht darin, dass die Forscher bei solch niedrigen Temperaturen vorbeiziehende Teilchen der Dunklen Materie anhand der winzigen Vibrationen erkennen könnten, die sie beim Zusammenstoß mit den Kristallen erzeugen.
Diese Kollisionen würden auch Paare von Elektronen und Elektronendefiziten oder Löchern erzeugen, die sich durch die Kristalle bewegen, mehr Vibrationen auslösen und das Signal der Dunklen Materie verstärken. Hochentwickelte supraleitende Elektronik hilft bei der Erkennung dieser Signale.
Um diese Aufgabe zu ermöglichen, wird das Experiment im SNOLAB gebaut und betrieben, 6.800 Fuß unter der Erde in einer Nickelmine in der Nähe von Sudbury, Ontario. Dort werden die vom SLAC gebauten Detektoren vor hochenergetischen Teilchen, der sogenannten kosmischen Strahlung, abgeschirmt, die unerwünschte Hintergrundsignale erzeugen können.
Eine lange Reise
Nachdem die Detektoren fertig waren, bestand der nächste Schritt für das SLAC-Team darin, sie zu SNOLAB zu bringen – und hier gab es Kompromisse. Um sie vor kosmischer Strahlung zu schützen, wollte das Team sie so schnell wie möglich in ihr neues unterirdisches Zuhause bringen, was möglicherweise auf eine direkte Route über die Rocky Mountains oder sogar einen Flug nach Ontario schließen lässt. Allerdings bietet die dünnere Atmosphäre in größeren Höhen weniger Schutz vor kosmischer Strahlung.
„Grundsätzlich wollen wir die Kosten so gering wie möglich halten, aber es gibt auch Kosten für die Gesamtzahl der Tage, die man an der Oberfläche verbringt“, sagte Tarek Saab, Physiker der University of Florida und SuperCDMS-Sprecher. „Wir wollen also eine Route, auf der man insgesamt am wenigsten der kosmischen Strahlung ausgesetzt ist.“
Am Ende entschied sich das Team für eine Route nach Osten nach Texas und dann nach Norden nach SNOLAB.
In der Zwischenzeit war SNOLAB damit beschäftigt, die SuperCDMS-Anlage für die Detektoren vorzubereiten, von denen die ersten beiden am 12. Mai eintrafen und am folgenden Tag die Reise in 6.800 Fuß Tiefe antraten. Die restlichen Türme werden später in diesem Jahr eintreffen, und die ersten Vorbereitungen für das Experiment werden voraussichtlich irgendwann im Jahr 2024 abgeschlossen sein. Dann kann das Experimentalteam mit der Erfassung erster Daten und der Beseitigung aller verbleibenden Schwachstellen im System beginnen. Forscher gehen davon aus, dass das Experiment drei bis vier Jahre dauern wird, bevor sie über genügend Daten verfügen, um die Grenzen unseres Wissens über Dunkle Materie zu erweitern.
Aber im Moment freuen sich alle auf die Lieferung der Detektoren, sagte Saab. „Es wird ein bedeutender Meilenstein sein, die Detektoren bei SNOLAB zu haben.“