August 13, 2022

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Dunkle Materie: Die Suche nach dem Unsichtbaren beginnt in einer alten Goldminenwissenschaft

In einer ehemaligen Goldmine, eine Meile unter der Erde, in einem Titantank, der mit einem seltenen Flüssiggas gefüllt war, begannen Wissenschaftler mit der Suche nach dem, was bisher nicht nachweisbar war: dunkle Materie.

Wissenschaftler sind sich ziemlich sicher, dass unsichtbare Dinge den größten Teil der Masse des Universums ausmachen und sagen, dass wir ohne sie nicht hier wären – aber sie wissen nicht, was es ist. Der Wettlauf um die Lösung dieses gewaltigen Mysteriums schickt ein Team unter der Führung von Kugeln in die Tiefe. Süddakota.

Die Frage für Wissenschaftler ist grundlegend, sagte Kevin Lesko, Physiker am Lawrence Berkeley National Laboratory. „Was ist das für ein wunderbarer Ort, an dem ich lebe? Im Moment sind 95 % davon ein Mysterium.“

Die Idee ist, dass eine Meile Erde und Felsen, ein riesiger Panzer, ein zweiter Panzer und das reinste Titan der Welt fast alle kosmischen Strahlen und Partikel blockieren, die uns jeden Tag umkreisen und durch uns alle kreisen. Wissenschaftler glauben jedoch, dass Teilchen der Dunklen Materie all diese Hindernisse umgehen können. Sie hoffen, dass eine in die flüssige Xenon-Schüssel im inneren Tank fliegt und wie zwei Billardkugeln mit einem Xenon-Kern kollidiert und seine Anwesenheit in einem Lichtblitz offenbart, der von einem Gerät namens „Zeitprojektionskammer“ gesehen wird.

Wissenschaftler gaben am Donnerstag bekannt, dass der fünfjährige, 60 Millionen US-Dollar teure Forschungsprozess nach einer Verzögerung aufgrund der Pandemie vor zwei Monaten endlich begonnen habe. Bisher hat das Gerät nichts gefunden. Zumindest gibt es keine dunkle Materie.

Eine ganz weiße Kammer, aus einem niedrigen Winkel gesehen, mit kuppelförmigen Beschlägen ausgekleidet, die alle auf einen durchsichtigen Zylinder gerichtet waren.
Wissenschaftler hoffen, dass ein Teilchen aus dunkler Materie in einen Behälter mit flüssigem Xenon fliegen und mit einem Kern kollidieren wird, um seine Existenz zu beweisen. Foto: Matthew Capost/Associated Press

Sie sagen, es ist in Ordnung. Das Gerät scheint den größten Teil der Hintergrundstrahlung herauszufiltern, die sie zu blockieren hoffen. „Um nach dieser sehr seltenen Art von Wechselwirkung zu suchen, besteht die erste Aufgabe darin, zunächst alle normalen Strahlungsquellen zu beseitigen, die das Experiment überfordern würden“, sagte Carter Hall, Physiker an der University of Maryland.

Und wenn all ihre Berechnungen und Theorien stimmen, stellen sie sich vor, dass sie jedes Jahr nur wenige Anzeichen von Dunkler Materie sehen werden. Das Team von 250 Wissenschaftlern schätzt, dass sie in den nächsten zwei Jahren 20-mal mehr Daten haben 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. „Begeben Sie sich nicht in seltene Suchphysik ohne die Hoffnung, etwas zu finden.“

Ein Laborant trägt einen Vollschutzanzug mit Kopf- und Gesichtsbedeckung in einem mit Plastikplanen abgedeckten Raum.
Labormitarbeiter achten sorgfältig darauf, den Detektor für Dunkle Materie in der Sanford Underground Research Facility in Lead, South Dakota, nicht zu kontaminieren. Foto: Stephen Groves/The Associated Press

Zwei riesige Kräne aus der Zeit der Depression betreiben einen Aufzug, der Wissenschaftler zum sogenannten Lux-Zeppelin-Experiment in der Sanford Underground Research Facility bringt. Der 10-minütige Abstieg endet in einem Tunnel mit kalten Wänden, die mit einem Netz ausgekleidet sind. Doch die alte, verrottende Mine führt bald zu einem Hightech-Labor, in dem Schmutz und Verschmutzung der Feind sind. Die Helme werden durch neue, saubere ersetzt, und die doppelte Schicht blauer Kindersocken wird durch Stahlkappen-Sicherheitsschuhe ersetzt.

Das Herz des Experiments ist der riesige Tank namens Kryostat, sagte Chefingenieur Jeff Cherwinka auf einer Tour im Dezember 2019, bevor das Gerät abgeschaltet und verpackt wurde. Er beschrieb es als „wie eine Thermoskanne“, die aus „dem vielleicht reinsten Titan der Welt“ hergestellt wurde, um die Kälte von flüssigem Xenon und die Hintergrundstrahlung auf ein Minimum zu reduzieren.

Xenon ist etwas Besonderes, erklärte Experimentphysik-Koordinator Aaron Manalisay, weil es den Forschern erlaubt zu wissen, ob eine Kollision mit einem seiner Elektronen oder mit seinem Kern erfolgt. Wenn etwas den Kern trifft, sagte er, ist es wahrscheinlich die dunkle Materie, nach der alle suchen.

Diese Wissenschaftler versuchten hier vor Jahren ein ähnliches, kleineres Experiment. Nachdem sie leer herauskamen, dachten sie, sie müssten viel größer werden. Ein weiterer groß angelegter Versuch findet in Italien statt, der von einem konkurrierenden Team geleitet wird, aber es wurden noch keine Ergebnisse bekannt gegeben.

Wissenschaftler versuchen zu verstehen, warum das Universum so anders zu sein scheint.

Ein Team von Wissenschaftlern in Ganzkörperschutzanzügen steht in einer Reihe neben einem Gerät, das konzentrische Zylinder zu sein scheint, mit einem transparenten Äußeren und einem undurchsichtigen Inneren, das sich vom Boden bis zur Decke erstreckt.
Das Forschungsteam steht neben einem riesigen Tank namens Kryostat, den ein Wissenschaftler mit Thermos verglich. Foto: Matthew Capost/Associated Press

Ein Teil des Puzzles ist die Dunkle Materie, die bei weitem die größte Masse im Universum hat. Astronomen wissen, dass es existiert, denn wenn sie Sterne und andere gewöhnliche Materie in Galaxien messen, stellen sie fest, dass es nicht annähernd genug Anziehungskraft gibt, um diese Haufen zusammenzuhalten. Nicht zuletzt, sagte Manalaisay, würden die Galaxien „schnell fliegen“.

„Es ist unmöglich, unsere Beobachtung der Geschichte, des evolutionären Universums ohne dunkle Materie zu verstehen“, sagte Manalisay.

„Ohne Dunkle Materie wären wir nicht hier“, sagte Lippincott, Physiker an der University of California, Santa Barbara.

Während es also keinen Zweifel an der Existenz von Dunkler Materie gibt, gibt es viele Zweifel darüber, was sie ist. Die führende Theorie besagt, dass es sogenannte Wimps enthält, die schwach mit massiven Partikeln interagieren.

Wenn dies der Fall ist, kann Lux-Zeplin dies möglicherweise erkennen. Wir wollen herausfinden, „wo sich Feiglinge verstecken können“, sagte Lippincott.

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