Eine neue Jagd nach dunkler Materie findet unter dem Berg statt

Ursprünglicher Autor: Daniel Oberhaus
  • Übersetzung

David D'Angelo interessierte sich nicht immer für dunkle Materie, aber jetzt ist er auf der Jagd nach dem schwersten Teilchen des Universums.




Etwa eine Stunde von Rom entfernt befindet sich eine dichte Berggruppe namens Gran Sasso d'Italia . Sie sind für ihre natürliche Schönheit bekannt und ziehen das ganze Jahr über Touristen an. Sie bieten im Winter Weltklasse-Skigebiete und Wanderwege sowie im Sommer die Möglichkeit zum Schwimmen. Für den 43-jährigen italienischen Physiker David D'Angelo sind diese Berge wie eine zweite Heimat. Im Gegensatz zu den meisten Besuchern von Gran Sasso verbringt D'Angelo die meiste Zeit in den Bergen und nicht in ihnen.

D'Angelo arbeitet in einem Raum voller Höhlen, die tausend Meter unter der Erdoberfläche liegen, an einer neuen Generation von Experimenten, die sich der Suche nach Partikeln der dunklen Materie widmen - einer exotischen Form von Materie, deren Existenz seit mehreren Jahrzehnten vermutet wird, jedoch noch nicht experimentell nachgewiesen wurde.

Es wird angenommen, dass dunkle Materie bis zu 27% des Universums ausmacht, und die Beschreibung dieser schwer fassbaren Substanz ist eines der akutesten Probleme der modernen Physik. Obwohl D'Angelo optimistisch ist, dass es schon zu Lebzeiten zu einem Durchbruch kommen wird, dachte die frühere Generation der Physiker genauso. Grundsätzlich gibt es gute Chancen, dass die von D'Angelo gesuchten Partikel überhaupt nicht existieren. Für Physiker, die sich mit der fundamentalen Natur des Universums beschäftigen, ist die Fähigkeit, eine ganze Karriere in der "Geisterjagd" zu verbringen, wie D'Angelo sagt, der Preis für den Fortschritt der Wissenschaft.

Was liegt unter dem "großen Stein"?


1989 eröffnete das italienische Nationalinstitut für Kernphysik das National Laboratory in Gran Sasso , dem weltweit größten unterirdischen Labor für Astrophysik. Die drei unterirdischen Hallen des Gran Sasso, die reich an Höhlen sind, wurden speziell für Physiker gebaut - eine eher elegante Umgebung für ein Forschungszentrum. Die meisten unterirdischen astrophysikalischen Laboratorien, zum Beispiel SNOLAB , werden spontan mit alten oder arbeitenden Minen eingerichtet, und diese Tatsache begrenzt die Zeit, die im Labor verbracht werden kann, und die Art der verwendeten Ausrüstung.

Gran Sasso, ein Kilometer unter der Erde gelegen, um ihn vor den lauten kosmischen Strahlen zu schützen, die den Planeten spülen, schützte mehrere Experimente in der Teilchenphysik und untersuchte die Grundlagen des Universums. In den letzten Jahren hat D'Angelo seinen Zeitplan zwischen dem Borexino- Observatorium und einem Natriumjodid-Detektor mit aktivem Hintergrundscreening (Sodium Iodide mit Active Background Rejection Experiment, SABER ) aufgeteilt, der Sonnenneutrinos bzw. Dunkle Materie untersucht. D'Angelo arbeitet mit einem Prototyp SABRE




In den letzten 100 Jahren gilt die Beschreibung von Sonnenneutrinos und Dunkler Materie als die wichtigste Aufgabe der Teilchenphysik. Heute ist das Rätsel um solare Neutrinos gelöst, aber diese Teilchen sind für Physiker immer noch äußerst interessant, da sie viele Informationen über die Kernfusion liefern, die in unserer Sonne und anderen Sternen stattfindet. Die Zusammensetzung der dunklen Materie gilt jedoch immer noch als eines der Hauptthemen der Kernphysik. Trotz der völlig anderen Natur dieser Partikel sind die Probleme ihrer Studie immer noch miteinander verbunden, da diese Partikel nur unter minimalen Hintergrundstrahlungsbedingungen nachgewiesen werden können: Tausende von Metern unter der Erde.

"Die Berge wirken wie ein Schild. Wenn Sie unter ihnen sind, erleben Sie die sogenannte" kosmische Stille ", sagte D'Angelo. "Dies ist der beliebteste Teil meiner Forschung: Sie gehen in eine Höhle, arbeiten mit einem Detektor und versuchen, die Signale zu verstehen, die Sie sehen."

Nach seinem Abschluss am Institut erhielt D'Angelo einen Job am italienischen Nationalen Institut für Kernphysik, wo er sich auf Sonnenneutrinos konzentrierte, freie subatomare Teilchen, die als Ergebnis der Kernsynthese auf der Sonne erscheinen. In den meisten der vier Jahrzehnte standen solare Neutrinos im Zentrum eines der größten Mysterien der Astrophysik. Das Problem war, dass die Instrumente, die die Energie von Sonnenneutrinos messen, wesentlich weniger Ergebnisse erzielten als die vom Standardmodell vorhergesagten .- Die genaueste Theorie fundamentaler Teilchen in der Physik.

Angesichts der Genauigkeit des Standardmodells in anderen Aspekten der Kosmologie wollten die Physiker keine Änderungen daran vornehmen, um diese Diskrepanz zu berücksichtigen. Eine mögliche Erklärung war, dass Physiker das falsche Sonnenmodell erstellt hatten und dass es notwendig war, Druck und Temperatur im Kern besser zu messen. Nach einer Reihe von Beobachtungen in den 60er und 70er Jahren stellte sich jedoch heraus, dass die Modelle der Sonne im Allgemeinen korrekt gemacht wurden, und dann wandten sich die Physiker für alternative Erklärungen an Neutrinos.

Die Geschichte von drei Neutrinos


Da der österreichische Physiker Wolfgang Pauli in den 1930er Jahren zum ersten Mal die Existenz von Neutrinos angedeutet hatte , wurden sie ständig dazu angehalten, Theorien zu verschließen. Im Fall von Pauli war die Annahme, dass extrem leichte Teilchen ohne Ladung vorlagen, ein „verzweifeltes Instrument“, um zu erklären, warum das Energieerhaltungsgesetz während des radioaktiven Zerfalls nicht funktioniert. Drei Jahre später gab der italienische Physiker Enrico Fermi den Namen dieser hypothetischen Teilchen an. Er nannte sie " Neutrino ", was auf Italienisch "kleine Neutronen" bedeutet.

Ein Vierteljahrhundert später, nach der Übernahme von Pauli, berichteten zwei amerikanische Physiker über erste Anzeichen einer Neutrino-Produktion in einem Kernreaktor. Im Folgenden, 1957, Bruno Maksimovich Pontecorvo, ein Physiker italienischer Herkunft, der in der UdSSR arbeitete, entwickelte eine Theorie der Neutrinooszillationen . Zu dieser Zeit waren die Neutrino-Eigenschaften nur unzureichend untersucht, und Pontecorvo deutete an, dass es verschiedene Arten von Neutrinos gibt. In diesem Fall könnte es sein, dass Neutrinos ihren Typ ändern könnten.

Die Theorie von Pontecorvo wurde 1975 bewiesen. Es wurden drei verschiedene Arten oder "Geschmack" von Neutrinos entdeckt: Elektron, Myon und Tau. Es ist auch wichtig, dass Beobachtungen in einem Experiment in South Dakota zeigten, dass die Sonne Elektron-Neutrinos produziert. Das einzige Problem bestand darin, dass das Experiment weniger Neutrinos aufzeichnete als das vorhergesagte Standardmodell.

Bis Ende der 90er Jahre gab es kaum Hinweise darauf, dass Neutrinos von einem Geschmack zum anderen übergehen könnten. Im Jahr 1998 beobachtete eine Gruppe von Forschern am japanischen Super-Kamiokande- Observatorium Schwingungen atmosphärischer Neutrinos, hauptsächlich aufgrund der Wechselwirkungen von Photonen mit der Erdatmosphäre. Drei Jahre später wurde der erste direkte Nachweis von solaren Neutrinooszillationen am Canadian Observatory in Sudbury (SNO) erhalten.

Das war, gelinde gesagt, ein großes Ereignis in der Kosmologie. Das Rätsel um die fehlenden solaren Neutrinos wurde gelöst oder warum in Experimenten etwa ein Drittel der von der Sonne fliegenden Neutrinos beobachtet wurde, verglichen mit den Vorhersagen des Standardmodells. Wenn Neutrinos durch Änderung ihres Geschmacks schwingen können, können die Neutrinos, die vom Kern der Sonne abgegeben werden, bereits beim Erreichen der Erde verschiedene Arten aufweisen. Bis Mitte der 80er Jahre wurde in den meisten Experimenten auf der Erde nur nach Elektron-Neutrinos gesucht, was bedeutet, dass zwei andere Geschmacksrichtungen auf dem Weg von der Sonne zur Erde verpasst wurden.

Als das SNO in den 80er Jahren konzipiert wurde, wurde es so konzipiert, dass es alle drei Arten von Neutrinos erkennen konnte, nicht nur elektronische. Und diese Entscheidung hat sich ausgezahlt. Im Jahr 2015 teilte der Direktor der Experimente von Super-Kamiokande und SNO den Nobelpreisin der Physik für die Lösung des Rätsels der fehlenden Sonnenneutrinos. Detektor in Borexino Obwohl das Rätsel um solare Neutrinos gelöst wurde, gibt es in der Wissenschaft noch viel zu tun, um sie besser zu verstehen. Seit 2007 hat das Borexino-Observatorium in Gran Sasso die Messung von solaren Neutrinooszillationen verbessert, wodurch Physiker beispiellose Informationen über die Kernfusion erhalten, die die Sonne speist. Draußen sieht das Observatorium aus wie eine riesige Metallkugel und innen wie Technologie, die von einem anderen Planeten kommt. In der Mitte der Kugel befindet sich ein riesiger transparenter Nylonsack mit einem Durchmesser von 10 m und einer Dicke von einem halben Millimeter. Der Beutel enthält einen flüssigen Szintillator






, eine chemische Mischung, die Energie emittiert, wenn Neutrinos durch sie laufen. Diese Nylonkugel ist in tausend Tonnen gereinigter Pufferflüssigkeit aufgehängt und von 2.200 Sensoren umgeben, die die von Elektronen emittierte Energie detektieren können, die freigesetzt wird, wenn Neutrinos mit einem Flüssigszintillator interagieren. Ein weiterer Puffer mit 3000 Tonnen Reinstwasser bietet zusätzlichen Schutz für den Detektor. All dies zusammen bietet den größten Schutz des Observatoriums vor Umgebungsstrahlung unter allen Flüssigszintillatoren der Welt.

Im letzten Jahrzehnt der Physik in Borexino - einschließlich D'Angelo, der 2011 dem Projekt beigetreten ist - verwenden Sie dieses einzigartige Beobachtungsgerätfür energiearme Solarneutrinos, die durch Protonenkollisionen während der Kernfusion im Sonnenkern entstehen. Wenn man bedenkt, wie schwierig es ist, diese ultraleichten Teilchen ohne Ladung zu finden, die fast keine Wechselwirkung mit Materie haben, wäre es fast unmöglich, energiearme Sonnenneutrinos ohne eine solche empfindliche Maschine zu entdecken . Als SNO direkt die ersten Schwingungen von Sonnenneutrinos entdeckte, konnte er nur die energiereichsten Sonnenneutrinos aufgrund von Interferenzen durch Hintergrundstrahlung beobachten. Und es war nur etwa 0,01%von den Neutrinos der Sonne. Borexinos Empfindlichkeit erlaubt es ihm, solare Neutrinos mit Energie zu beobachten, eine ganze Ordnung weniger als die von SNO gefundene, was die Möglichkeit eröffnet, ein unglaublich verfeinertes Modell solarer Prozesse und exotischer Phänomene wie Supernovae zu erstellen.

"Es dauerte 40 Jahre, bis die Physiker solare Neutrinos verstanden hatten, und dies war eines der interessantesten Geheimnisse der Teilchenphysik", sagte D'Angelo zu mir. "So etwas wie dunkle Materie ist jetzt."

Dunkle Materie beleuchten


Wenn Neutrinos ein mysteriöses Teilchen des 20. Jahrhunderts waren, dann ist dunkle Materie ein Rätsel unserer Zeit. So wie Pauli Neutrino als verzweifeltes Mittel vorschlug, um zu erklären, warum Experimente anscheinend eines der grundlegendsten Naturgesetze verletzen, deuteten sie auf die Existenz von Partikeln aus dunkler Materie hin, da kosmologische Beobachtungen nicht zusammenlaufen.

In den frühen 1930er Jahren untersuchte der amerikanische Astronom Fritz Zwicky die Bewegungen mehrerer Galaxien im Volon Veronica-Cluster, einer Sammlung von mehr als 1000 Galaxien, die sich etwa 320 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt befinden. Anhand von von Edwin Hubble veröffentlichten Daten berechnete Zwicky die Masse des gesamten galaktischen Volos-Clusters von Veronica. Als er fertig war, entdeckte er etwas Seltsames in der GeschwindigkeitsverteilungGalaxien (statistische Verteilung der Geschwindigkeit einer Gruppe von Objekten): Die Geschwindigkeitsverteilung ist 12-mal höher als der Wert, der auf der Grundlage der Menge an Materie berechnet wird. Im Gran-Sasso-Labor Dies war eine unerwartete Rechnung, deren Bedeutung Zwicky nicht entging. "Wenn sich dies bestätigt ", schrieb er , "werden wir ein erstaunliches Ergebnis erzielen, wonach dunkle Materie viel mehr als leuchtend sein wird." Die Idee, dass sich das Universum hauptsächlich aus unsichtbarer Materie zu Zwickys Zeit zusammensetzt, schien radikal zu sein - so ist es bis heute geblieben. Der Hauptunterschied besteht jedoch darin, dass heutige Astronomen viel mehr empirische Beweise für ihre Existenz haben. Dies ist größtenteils Vera Rubin zuzuschreiben .






, ein amerikanischer Astronom, dessen Messungen der Rotation von Galaxien in den 1960er und 70er Jahren alle Zweifel an der Existenz dunkler Materie ausschieden. Basierend auf den Messungen von Rubin und nachfolgenden Beobachtungen glauben Physiker, dass dunkle Materie etwa 27% der gesamten Materie des Universums ausmacht - etwa siebenmal mehr als die uns bekannte gewöhnliche baryonische Materie. Die Hauptfrage ist, woraus besteht es?

Rubin hat bereits viele bahnbrechende Beobachtungen für den Titel von Partikeln aus der dunklen Materie vorgeschlagen, aber bisher vermeiden sie es, selbst die empfindlichsten Instrumente der Welt zu entdecken. Zum Teil, weil die Physiker sich nicht sicher sind, wonach sie suchen. Ein kleiner Teil der Physiker glaubt im Allgemeinen, dass dunkle Materie keine Teilchen sein kann, sondern einen exotischen Gravitationseffekt darstellen kann. Dies macht die Entwicklung von Experimenten ähnlich wie bei Suchen auf dem Parkplatz am Stadion eines Autos, zu dem kürzlich gefundene Schlüssel passen. Es besteht die Möglichkeit, dass sich das Auto auf dem Parkplatz befindet, aber Sie müssen viele Türen umfahren, bis Sie es finden - wenn überhaupt.

Zu den Kandidaten für dunkle Materie gehören subatomare Teilchen mit törichten Namen wie Axionen , Gravitino ,massive astrophysikalische kompakte Halos (MACHO) und schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMP). D'Angelo und seine Kollegen aus Gran Sasso haben WIMP ins Leben gerufen, das bis vor kurzem als der führende Kandidat für dunkle Energie galt.

In den letzten Jahren begannen Physiker jedoch, nach anderen Möglichkeiten zu suchen, nachdem einige kritische Tests die Existenz von WIMP nicht bestätigt hatten. WIMP ist eine Klasse hypothetischer Elementarteilchen, die praktisch nicht mit normaler baryonischer Materie in Wechselwirkung treten und kein Licht emittieren, was sie extrem schwer zu erkennen macht. Dieses Problem wird durch die Tatsache verschlimmert, dass niemand genau weiß, wie WIMP aussieht. Es ist unnötig zu erwähnen, dass es sehr schwierig ist, etwas zu finden, wenn Sie sich nicht einmal sicher sind, wonach Sie suchen.

Warum glauben Physiker, dass es überhaupt WIMPs gibt? In den 70er Jahren konzipierten Physiker das Standardmodell der Teilchenphysik, in dem behauptet wurde, dass alles im Universum aus einem kleinen Satz grundlegender Teilchen besteht. Das Standardmodell erklärt fast alles perfekt, was das Universum ihm geben kann, aber es ist noch unvollständig, da die Schwerkraft dort nicht eindringt. In den 80er Jahren erschien eine SM-Erweiterung unter dem Namen Supersymmetrie , wonach jedes fundamentale Teilchen des KM einen Partner haben sollte. Diese Paare sind als supersymmetrische Teilchen bekannt und werden in theoretischen Erklärungen für verschiedene Rätsel der SM-Physik verwendet, zum Beispiel die Higgs-Boson-Masseund die Existenz der dunklen Materie. Einige der komplexesten und teuersten Experimente der Welt, z. B. der Large Hadron Collider, wurden erstellt, um diese supersymmetrischen Partner zu öffnen, doch bisher wurden keine experimentellen Beweise dafür gefunden.

Viele der leichtesten Partikel, die in dem supersymmetrischen Modell vorgeschlagen werden, sind WIMP. Sie tragen Namen wie Gravitino, Neytrino und Neutralino. Viele Physiker betrachten den letzten von ihnen noch immer als führenden Kandidaten für die Dunkle Materie, und sie denken, dass sie im frühen Universum in großen Mengen gebildet wurde. Die Entdeckung von Beweisen für das Vorhandensein dieses uralten theoretischen Teilchens ist das Ziel vieler Experimente mit TM, einschließlich desjenigen, an dem D'Angelo bei Gran Sasso arbeitet.

D'Angelo erzählte mir, dass er sich einige Jahre nachdem er in das Gran Sasso-Labor eingetreten war , für dunkle Materie interessierte . DarkSide ist ein riesiger Tank, der mit flüssigem Argon gefüllt ist und mit unglaublich empfindlichen Sensoren ausgestattet ist. Wenn WIMPs vorhanden sind, glauben Physiker, dass sie sie aufgrund der Ionisierung erkennen können, die aufgrund ihrer Wechselwirkung mit Argonkernen auftritt.

DarkSide geht seit 2013 nach Gran Sasso und D'Angelo sagte, dass es noch einige Jahre dauern wird. Nun ist er jedoch an einem weiteren Experiment mit TM bei Gran Sasso namens SABER beteiligt, die auch nach direkten Anzeichen für das Vorhandensein von TM-Partikeln sucht, basierend auf Licht, das erscheint, wenn Energie aufgrund ihrer Kollisionen mit Natriumjodidkristallen freigesetzt wird.

Das SABER-Experimentiergerät ist speziell ähnlich einem anderen Experiment, das seit 1995 bei Gran Sasso läuft, genannt DAMA. Im Jahr 2003 begann das DAMA-Experiment mit der Suche nach saisonalen Schwankungen von Partikeln aus dunkler Materie, die in den 1980er Jahren als Folge der Bewegung der Erde und der Sonne relativ zum Rest der Galaxie vorhergesagt wurden. Die Theorie besagt, dass die relative Geschwindigkeit aller auf der Erde gefundenen Partikel der dunklen Materie im Juni ein Maximum und im Dezember ein Minimum erreichen sollte.


David D'Angelo

Fast 15 Jahre lang hat sich DAMA angemeldetsaisonale Schwankungen in den Detektoren, die mit der Theorie und der erwarteten Signatur von TM-Partikeln zusammenfielen. Es sah so aus, als sei DAMA das erste Experiment der Welt gewesen, das dunkle Materie detektiert hatte. Das Problem war jedoch, dass DAMA die Möglichkeit nicht vollständig ausschließen konnte, dass die gefundene Signatur mit anderen saisonalen Schwankungen der Erde in Zusammenhang stand und nicht mit den Veränderungen der dunklen Materie, die mit der Bewegung der Erde um die Sonne verbunden sind.

SABER sollte Mehrdeutigkeiten in DAMA-Daten beseitigen. Sobald die Hardware alle Mängel beseitigt hat, ist das Experiment bei Gran Sasso die Hälfte des SABERS. Die andere Hälfte befindet sich in Australien in der ehemaligen Goldmine. Die Präsenz von Laboratorien in der nördlichen und südlichen Hemisphäre sollte dazu beitragen, alle Fehlalarme zu beseitigen, die mit normalen saisonalen Schwankungen verbunden sind. Bislang befindet sich der SABER-Detektor noch im Zustand eines funktionierenden Prototyps und sollte in den nächsten Jahren in beiden Hemisphären mit Beobachtungen beginnen.

Das SABRE-Experiment kann auch die besten verfügbaren Beweise für das Vorhandensein von TM-Partikeln widerlegen, die von Physikern gefunden wurden. Aber wie D'Angelo betont hat, ist diese Art der Enttäuschung ein grundlegender Teil der Wissenschaft.

"Ich befürchte natürlich, dass wir kein TM finden werden und dass wir nach Geistern suchen, aber die Wissenschaft ist so geordnet", sagte D'Angelo. "Manchmal verbringt man mehrere Jahre damit, nach etwas zu suchen, und dann endet es nicht dort und man muss die Art und Weise ändern, wie man über alles nachdenkt."

Für D'Angelo ist das Untersuchen der subatomaren Welt durch Untersuchungen von Neutrinos und dunkler Materie in einer italienischen Höhle seine Art der expliziten Kommunikation mit dem Universum. "Die besten Elemente des Universums sind mit den makroskopischsten Phänomenen verbunden, zum Beispiel mit der Expansion des Universums", sagte D'Angelo. „Das unendlich Kleine kommt mit dem unendlich Großen in Kontakt, und es erscheint mir erstaunlich. Das Ziel der Physik, das ich tue - über die Grenzen des menschlichen Wissens hinauszugehen. "

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