Eine Meile unter der Erde in einer verlassenen Goldmine in South Dakota befindet sich ein gigantischer Zylinder mit 10 Tonnen gereinigtem flüssigem Xenon, der von mehr als 250 Wissenschaftlern auf der ganzen Welt genau beobachtet wird. Dieser Tank mit Xenon ist das Herzstück des LUX-ZEPLIN (LZ)-Experiment, ein Versuch, dunkle Materie nachzuweisen – die mysteriöse unsichtbare Substanz, die 85 % der Materie im Universum ausmacht.
„Menschen suchen seit über 30 Jahren nach dunkler Materie, und noch hat niemand einen überzeugenden Nachweis erbracht“, sagte Dan Akerib, Professor für Teilchenphysik und Astrophysik am SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums (DOE). Aber mit der Hilfe von Wissenschaftlern, Ingenieuren und Forschern auf der ganzen Welt haben Akerib und seine Kollegen das LZ-Experiment zu einem der empfindlichsten Teilchendetektoren der Welt gemacht.
Um diesen Punkt zu erreichen, bauten die SLAC-Forscher auf ihr Fachwissen in der Arbeit mit flüssigen Edelgasen – den flüssigen Formen von Edelgasen wie Xenon – auf, einschließlich der Weiterentwicklung der Technologien zur Reinigung flüssiger Edelgase selbst und der Systeme zur Erkennung seltener Wechselwirkungen mit dunkler Materie innerhalb dieser Flüssigkeiten. Und, sagte Akerib, was die Forscher gelernt haben, wird nicht nur die Suche nach dunkler Materie unterstützen, sondern auch andere Experimente, die nach seltenen teilchenphysikalischen Prozessen suchen.
„Dies sind wirklich tiefgreifende Geheimnisse der Natur, und dieser Zusammenfluss des gleichzeitigen Verständnisses des sehr Großen und des sehr Kleinen ist sehr aufregend“, sagte Akerib. „Möglicherweise könnten wir etwas völlig Neues über die Natur lernen.“
Auf der Suche nach dunkler Materie tief unter der Erde
Ein derzeit führender Kandidat für dunkle Materie sind schwach wechselwirkende massive Teilchen oder WIMPs. Wie das Akronym jedoch andeutet, interagieren WIMPs kaum mit gewöhnlicher Materie, was es sehr schwierig macht, sie zu entdecken, obwohl theoretisch viele von ihnen ständig an uns vorbeiziehen.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, ging das LZ-Experiment zunächst tief unter Tage in die ehemalige Homestake-Goldmine, die heute die Sanford Underground Research Facility (SURF) in Lead, South Dakota, ist. Dort ist das Experiment gut geschützt vor dem ständigen Beschuss mit kosmischer Strahlung auf der Erdoberfläche – einer Quelle von Hintergrundrauschen, die es schwierig machen könnte, schwer zu findende dunkle Materie zu erkennen.
Selbst dann erfordert das Auffinden dunkler Materie einen empfindlichen Detektor. Aus diesem Grund suchen Wissenschaftler nach Edelgasen, die auch bekanntermaßen nur ungern mit irgendetwas reagieren. Dies bedeutet, dass es nur sehr wenige Möglichkeiten gibt, was passieren könnte, wenn ein Teilchen der Dunklen Materie oder WIMP mit dem Atom eines Edelgases interagiert, und daher eine geringere Wahrscheinlichkeit, dass Wissenschaftler eine bereits schwer zu findende Wechselwirkung übersehen.
Aber welche edel? Wie sich herausstellte, „ist Xenon ein besonders guter Edelmetall zum Nachweis dunkler Materie“, sagte Akerib. Dunkle Materie interagiert am stärksten mit Kernen, und die Wechselwirkung wird mit der Atommasse des Atoms noch stärker, erklärte Akerib. Beispielsweise sind Xenon-Atome etwas mehr als dreimal so schwer wie Argon-Atome, aber es wird erwartet, dass sie mehr als zehnmal so starke Wechselwirkungen mit dunkler Materie haben.
Ein weiterer Vorteil: „Sobald Sie andere Verunreinigungen aus dem flüssigen Xenon gereinigt haben, wird es von selbst sehr leise sein“, sagte Akerib. Mit anderen Worten, es ist unwahrscheinlich, dass der natürliche radioaktive Zerfall von Xenon dem Nachweis der Wechselwirkungen zwischen WIMPs und Xenonatomen im Wege steht.
Nur das Xenon, bitte
Der Trick, sagte Akerib, besteht darin, reines Xenon zu bekommen, ohne das alle Vorteile des Edelgases strittig sind. Gereinigte Edelgase sind jedoch nicht ohne weiteres verfügbar – die Tatsache, dass sie mit kaum irgendetwas interagieren, bedeutet auch, dass sie im Allgemeinen ziemlich schwierig voneinander zu trennen sind. Und „leider kann man nicht einfach einen Reiniger von der Stange kaufen, der Edelgase reinigt“, sagte Akerib.
Akerib und seine Kollegen am SLAC mussten daher einen Weg finden, das gesamte flüssige Xenon, das sie für den Detektor benötigten, zu reinigen.
Die größte Verunreinigung in Xenon ist Krypton, das zweitleichteste Edelgas und ein radioaktives Isotop, das die eigentlich gesuchten Wechselwirkungen maskieren könnte. Um zu verhindern, dass Krypton zum Kryptonit des Teilchendetektors wird, verbrachten Akerib und seine Kollegen mehrere Jahre damit, eine Xenon-Reinigungstechnik zu perfektionieren, die die sogenannte Gas-Kohle-Chromatographie verwendet. Die Grundidee besteht darin, Zutaten in einer Mischung basierend auf ihren chemischen Eigenschaften zu trennen, während die Mischung durch eine Art Medium getragen wird. Bei der Gaskohlechromatographie wird Helium als Trägergas für die Mischung und Aktivkohle als Trennmedium verwendet.
„Sie können sich das Helium als eine stetige Brise durch die Holzkohle vorstellen“, erklärte Akerib. „Jedes Xenon- und Kryptonatom verbringt einen Teil der Zeit damit, an der Holzkohle zu haften, und einige Zeit, in der es sich löst. Edelgasatome sind weniger klebrig, je kleiner sie sind, was bedeutet, dass Krypton etwas weniger klebrig ist als das Xenon, sodass es von der nicht klebrigen Helium-„Brise“ weggefegt wird, wodurch das Xenon vom Krypton getrennt wird. Die Forscher könnten dann das Krypton einfangen und wegwerfen und dann das Xenon zurückgewinnen, sagte Akerib. „Wir haben das für ungefähr 200 Flaschen Xenongas gemacht – es war eine ziemlich große Kampagne.“
Das LZ-Experiment ist nicht das erste Experiment, an dem SLAC beteiligt war, um mit Xenon nach neuer Physik zu suchen. Das Enriched-Xenon-Observatorium-Experiment (EXO-200), das von 2011 bis 2018 lief, isolierte ein bestimmtes Xenon-Isotop, um nach einem Prozess zu suchen, der als neutrinoloser doppelter Beta-Zerfall bezeichnet wird. Die Ergebnisse des Experiments deuten darauf hin, dass der Prozess unvorstellbar selten ist, aber eine neue vorgeschlagene Suche namens Next EXO (nEXO) wird die Suche mit einem Detektor fortsetzen, der dem von LZ ähnlich ist.
Eine andere Art von Stromnetz
Ganz gleich, welche edle Flüssigkeit den Detektor füllt, ein ausgeklügeltes Detektionssystem ist entscheidend, wenn Wissenschaftler jemals hoffen, so etwas wie dunkle Materie zu finden. Über und unter dem Turm aus flüssigem Xenon für das LZ-Experiment befinden sich große Hochspannungsgitter, die im Detektor elektrische Felder erzeugen. Wenn ein Teilchen aus dunkler Materie mit einem Xenonatom kollidiert und ein paar Elektronen abschlägt, wird es einige Elektronen aus dem Atom befreien und separat einen Lichtstoß erzeugen, der von Fotodetektoren erfasst werden kann, erklärte Ryan Linehan, ein kürzlich promovierter Forscher. Absolvent der LZ-Gruppe von SLAC, die an der Entwicklung der Hochspannungsnetze mitgewirkt hat. Elektrische Felder, die durch den Detektor laufen, treiben die freien Elektronen dann nach oben in eine dünne Gasschicht an der Oberseite des Zylinders, wo sie ein zweites Lichtsignal erzeugen. „Wir können dieses zweite Signal zusammen mit dem ursprünglichen Signal verwenden, um viele Informationen über Position, Energie, Partikeltyp und mehr zu erfahren“, sagte Linehan.
Aber dies sind keine gewöhnlichen elektrischen Gitter – sie führen Zehntausende von Volt, so hoch, dass mikroskopisch kleine Staub- oder Schmutzpartikel auf dem Drahtgitter spontane Reaktionen hervorrufen können, die Elektronen aus dem Draht selbst herausreißen, sagte Linehan. „Und diese Elektronen können Signale erzeugen, die genauso aussehen wie die Elektronen, die vom Xenon kamen“, und maskieren so die Signale, die sie zu erkennen versuchen.
Die Forscher fanden zwei Hauptwege, um die Wahrscheinlichkeit zu minimieren, falsche Signale von den Gittern zu erhalten, sagte Linehan. Zunächst verwendete das Team einen chemischen Prozess namens Passivierung, um Eisen von der Oberfläche der Gitterdrähte zu entfernen, wodurch eine chromreiche Oberfläche zurückblieb, die die Tendenz des Drahts verringert, Elektronen zu emittieren. Zweitens besprühten die Forscher die Gitter unmittelbar vor der Installation gründlich – und sehr vorsichtig – mit deionisiertem Wasser, um Staubpartikel zu entfernen. „Diese Prozesse zusammen halfen uns, die Netze in einen Zustand zu bringen, in dem wir tatsächlich klare Daten erhalten konnten“, sagte er.
Das LZ-Team veröffentlichte seine ersten Ergebnisse Anfang Juli online, nachdem es die Suche nach dunkler Materie weiter vorangetrieben hatte als je zuvor.
Linehan und Akerib sagten, sie seien beeindruckt von dem, was die globale Zusammenarbeit von LZ erreicht habe. „Gemeinsam lernen wir etwas Grundlegendes über das Universum und die Natur der Materie“, sagte Akerib. „Und wir fangen gerade erst an.“
Die LZ-Bemühungen bei SLAC werden von Akerib zusammen mit Maria Elena Monzani, einer leitenden Wissenschaftlerin bei SLAC und stellvertretender LZ-Betriebsleiterin für Computer und Software, und Thomas Shutt, dem Gründungssprecher der LZ-Kollaboration, geleitet.