Neue Forschungsergebnisse nutzen eine koaxiale „Schüssel“-Antenne, um nach dunkler Materie zu suchen

Eines der großen Geheimnisse der modernen Wissenschaft ist die Dunkle Materie. Wir wissen, dass dunkle Materie aufgrund ihrer Auswirkungen auf andere Objekte im Kosmos existiert, aber wir konnten sie nie direkt sehen. Und es ist keine Kleinigkeit – Wissenschaftler gehen derzeit davon aus, dass es etwa 85 % der gesamten Masse im Universum ausmacht.

Ein neues Experiment einer Zusammenarbeit unter der Leitung der University of Chicago und des Fermi National Accelerator Laboratory, bekannt als Broadband Reflector Experiment for Axion Detection oder BREAD, hat seine Ergebnisse veröffentlicht erste Ergebnisse bei der Suche nach Dunkler Materie in einer Studie veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung. Obwohl sie keine dunkle Materie fanden, grenzten sie die Grenzen für ihren möglichen Aufenthaltsort ein und demonstrierten einen einzigartigen Ansatz, der die Suche nach der mysteriösen Substanz bei relativ geringem Platz- und Kostenaufwand beschleunigen könnte.

„Wir sind sehr begeistert von dem, was wir bisher erreichen konnten“, sagte UChicago Assoc. Prof. David Miller, Co-Leiter des Experiments neben Andrew Sonnenschein von Fermilab, der ursprünglich das Konzept für das Experiment entwickelt hat. „Dieses Design bietet viele praktische Vorteile und wir haben bereits die bisher beste Empfindlichkeit in dieser 11-12-Gigahertz-Frequenz gezeigt.“

„Dieses Ergebnis ist ein Meilenstein für unser Konzept und demonstriert zum ersten Mal die Leistungsfähigkeit unseres Ansatzes“, sagte Stefan Knirck, Postdoktorand und Studienleiter am Fermilab, der den Bau und Betrieb des Detektors leitete. „Es ist großartig, diese Art kreativer Wissenschaft im Tischmaßstab zu betreiben, bei der ein kleines Team vom Aufbau des Experiments bis zur Datenanalyse alles erledigen kann, aber dennoch einen großen Einfluss auf die moderne Teilchenphysik hat.“

„Da ist etwas“

Wenn wir uns im Universum umschauen, können wir erkennen, dass eine Substanz so viel Schwerkraft ausübt, dass sie Sterne und Galaxien anzieht und Licht durchlässt, aber kein Teleskop oder Gerät hat die Quelle jemals direkt erfasst – daher der Name „Dunkle Materie“.

Da jedoch noch nie jemand Dunkle Materie gesehen hat, wissen wir nicht einmal genau, wie sie aussehen könnte oder wo wir genau danach suchen müssen. „Wir sind sehr zuversichtlich, dass etwas da ist, aber es könnte viele, viele Formen annehmen“, sagte Miller.

Wissenschaftler haben mehrere der wahrscheinlichsten Optionen für die Suche nach Orten und Formen ermittelt. Typischerweise besteht der Ansatz darin, Detektoren zu bauen, die einen bestimmten Bereich (in diesem Fall eine Reihe von Frequenzen) sehr gründlich absuchen, um ihn auszuschließen.

Doch ein Team von Wissenschaftlern erforschte einen anderen Ansatz. Ihr Design ist „breitbandig“, was bedeutet, dass sie eine größere Auswahl an Möglichkeiten durchsuchen können, wenn auch mit etwas weniger Präzision.

„Wenn man es sich wie ein Radio vorstellt, ist die Suche nach dunkler Materie so, als würde man den Knopf auf die Suche nach einem bestimmten Radiosender stellen, nur dass es eine Million Frequenzen zu durchsuchen gibt“, sagte Miller. „Unsere Methode ähnelt einem Scan von 100.000 Radiosendern und nicht einer gründlichen Suche nach ein paar wenigen.“

Ein Proof of Concept

Der BREAD-Detektor sucht nach einer bestimmten Teilmenge von Möglichkeiten. Es ist darauf ausgelegt, nach dunkler Materie in Form sogenannter „Axionen“ oder „dunkler Photonen“ zu suchen – Teilchen mit extrem kleinen Massen, die unter den richtigen Umständen in ein sichtbares Photon umgewandelt werden könnten.

Somit besteht BREAD aus einem Metallrohr mit einer gekrümmten Oberfläche, die potenzielle Photonen einfängt und an einem Ende zu einem Sensor leitet. Das Ganze ist so klein, dass man es in die Arme nehmen kann, was für Experimente dieser Art ungewöhnlich ist. In der Vollversion wird BREAD in einem Magneten platziert, um ein starkes Magnetfeld zu erzeugen, das die Chancen erhöht, Teilchen dunkler Materie in Photonen umzuwandeln.

Zum Beweis des Prinzips führte das Team das Experiment jedoch ohne Magnete durch. Die Zusammenarbeit betrieb den Prototyp des Geräts etwa einen Monat lang an der UChicago und analysierte die Daten.

Die Ergebnisse seien sehr vielversprechend und zeigten eine sehr hohe Empfindlichkeit bei der gewählten Frequenz, sagten die Wissenschaftler.

Da die Ergebnisse veröffentlicht wurden Briefe zur körperlichen Untersuchung angenommen wurden, wurde BREAD in einen umfunktionierten MRT-Magneten im Argonne National Laboratory gebracht und nimmt weitere Daten auf. Sein späteres Zuhause, das Fermi National Accelerator Laboratory, wird einen noch stärkeren Magneten verwenden.

„Dies ist nur der erste Schritt in einer Reihe spannender Experimente, die wir planen“, sagte Sonnenschein. „Wir haben viele Ideen, um die Empfindlichkeit unserer Axion-Suche zu verbessern.“

„Es gibt noch so viele offene Fragen in der Wissenschaft und einen enormen Raum für kreative neue Ideen zur Lösung dieser Fragen“, sagte Miller. „Ich denke, das ist ein wirklich herausragendes Beispiel für diese Art von kreativen Ideen – in diesem Fall wirkungsvolle, kooperative Partnerschaften zwischen kleinerer Wissenschaft an Universitäten und größerer Wissenschaft in nationalen Labors.“

Das BREAD-Instrument wurde im Fermilab als Teil des Detektor-F&E-Programms des Labors gebaut und dann an der UChicago betrieben, wo die Daten für diese Studie gesammelt wurden. Der Doktorand der UChicago, Gabe Hoshino, leitete zusammen mit den Studenten Alex Lapuente und Mira Littmann den Betrieb des Detektors.

Das Argonne National Laboratory unterhält eine Magnetanlage, die für die nächste Stufe des BREAD-Physikprogramms genutzt wird. Andere Institutionen, darunter das SLAC National Accelerator Laboratory, das Lawrence Livermore National Laboratory, das Illinois Institute of Technology, das MIT, das Jet Propulsion Laboratory, die University of Washington, Caltech und die University of Illinois at Urbana-Champaign, arbeiten mit UChicago und Fermilab zusammen Forschung und Entwicklung für zukünftige Versionen des Experiments.