Jagd auf dunkle Materie

Innenansicht des Great Underground Xenon Dark Matter Experiments von unten nach oben

Es ist schade für arme Physiker, die nach dunkler Materie suchen - einer exotischen Substanz, aus der etwa ein Viertel aller Materie im Raum besteht und die nur durch Schwerkraft und schwache Interaktion mit dem Rest des Universums interagiert. Und eine Woche vergeht nicht ohne einen neuen Hinweis darauf, dass Physiker die Dunkle Materie necken, an der Grenze des statistischen Fehlers auftauchen und dann verschwinden und ihre Hoffnungen brechen.

Um nach dunkler Materie zu suchen, werden eine Vielzahl von Experimenten durchgeführt, eine ganze Buchstabensuppe aus den Abkürzungen, und jede verwendet ihre eigene Technik und Technologie. Physiker müssen also nach etwas suchen, dessen genaue Eigenschaften ihnen unbekannt sind. Das Problem ist, dass, obwohl in mehreren Experimenten mehrere Hinweise auf dunkle Materie entdeckt wurden, diese nicht miteinander übereinstimmen. Wenn Sie die Ergebnisse verschiedener Experimente in verschiedenen Farben in einem Diagramm zusammenfassen, sieht es wie abstrakte Kunst aus.

Vor 6 Jahren war Juan Colard von der University of Chicago voller Hoffnung auf die Früherkennung dunkler Materie. Aber jedes nachfolgende Ergebnis schien in eine neue Richtung zu weisen. Es ist nicht verwunderlich, dass er seinen Bericht mit der Umschreibung von The Big Lebowski beginnt: "Wir sind Nihilisten, wir glauben nichts."

"In den letzten Jahren scheinen wir unseren eigenen Schwanz zu jagen", sagte Kolar in einem Interview.

Die gute Nachricht ist, dass vielleicht wieder etwas pickt. Physiker sehen Zeichen am Himmel und im tiefen Untergrund und suchen nach anderen Zeichen im Large Hadron Collider, der ebenfalls an der Jagd nach dunkler Materie beteiligt ist. Das Flüstern über dunkle Materie wird lauter und mehrere Signale scheinen zu konvergieren. Die schlechte Nachricht ist, dass diese Hinweise immer noch nicht konsistent sind und laut Kathryn Zurek von der University of Michigan zu unzuverlässig sind. Viele Physiker sind skeptisch, dass überhaupt Anzeichen von dunkler Materie zu finden sind. Einige sind im Allgemeinen vom Nihilismus abhängig, wie Kolar, der sagte: "Es ist schwer, kein Nihilist zu sein, wenn man bedenkt, wie die Dinge laufen."

Geheimnisvolle Angelegenheit

Die übliche sichtbare Materie - Planeten, Sterne, Galaxien, alles andere - macht nur 4,9% von allem aus, was sich im Universum befindet. Das meiste davon, 68,3%, besteht aus dunkler Energie, die für die beschleunigte Expansion des Weltraums verantwortlich ist. Der Rest - 26,8% - besteht aus dunkler Materie.

Wenn Physiker nicht genau wissen, was dunkle Materie ist, sind sie sich ihrer Existenz sicher. Das Konzept entstand 1933, als Fritz Zwicky die Geschwindigkeit von Galaxien in einem Cluster analysierte und zu dem Schluss kam, dass die durch sichtbare Materie ausgeübte Anziehungskraft der Galaxien nicht verhindern kann, dass Galaxien mit hoher Geschwindigkeit aus dem Cluster entweichen. Jahrzehnte später fanden Vera Rubin und Kent Ford einen weiteren Beweis für Zwickys „dunkle Materie“, indem sie Sterne beobachteten, die sich am Rand von Galaxien drehten. Die Sterne sollten sich umso langsamer bewegen, je weiter sie vom Zentrum der Galaxien entfernt waren, genau wie sich die äußeren Planeten unseres Sonnensystems langsamer um die Sonne bewegen. Stattdessen bewegten sich externe Sterne so schnell wie Sterne näher am Zentrum, aber die Galaxien zerfielen nicht. Etwas ergänzte die Anziehungskraft.

Dunkle Materie war nicht die einzige Erklärung. Vielleicht war es notwendig, das Einstein-Schwerkraftmodell zu reparieren. Es wurden viele alternative Modelle vorgeschlagen, wie beispielsweise MOND (modifizierte Newtonsche Dynamik). Rubin selbst war einmal dazu geneigt und sagte in einem Interview mit New Scientist im Jahr 2005, dass "es eine attraktivere Option sei als das Universum, das mit einer neuen Art von subnuklearen Partikeln gefüllt ist."


Die Gesamtmasse der Galaxien im Bullet-Cluster ist viel kleiner als die Masse zweier Wolken im Cluster, die aus Röntgenstrahlen bestehen, die heißes Gas emittieren (rot markiert). Blaue Bereiche, die noch massereicher sind als alle Galaxien und Wolken zusammen, zeigen die Verteilung der dunklen Materie

Aber die Natur wird von unseren ästhetischen Vorlieben ausgeschlossen. 2006 hat das auffällige Image des Bullet Clusters (1E 0657-56) dieser Frage ein Ende gesetzt. Darauf waren zwei Galaxienhaufen zu sehen, die sich gegenseitig passierten, und ihre Gase, die kollidierten, erzeugten eine Stoßwelle in Form einer Kugel. Die Ergebnisse der Analyse erwiesen sich als überraschend: Heißes Gas (gewöhnliche Materie) sammelte sich in dichteren Formationen in dem Zentrum an, in dem die Kollision stattfand, und andererseits sammelte sich nur dunkle Materie an. Wenn Cluster kollidierten, passierte dunkle Materie direkt, da sie sehr selten mit gewöhnlicher Materie interagiert.

"Ich denke, zu diesem Zeitpunkt können wir sicher sein, dass es dunkle Materie gibt", sagt Dan Hooper, Physiker an der Universität von Chicago. "Soweit ich weiß, erklärt dies keine einzige modifizierte Gravitationstheorie."

Ein führender Kandidat für Partikel der dunklen Materie ist die Klasse der schwach wechselwirkenden massiven Teilchen, WIMP, ähnlich einem anderen subatomaren Teilchen, einem Neutrino, das ebenfalls selten mit anderer Materie interagiert. Nach der Entdeckung des Higgs-Bosons ist eine Ära der Teilchenphysik beendet, und die Aufmerksamkeit der Öffentlichkeit verlagert sich auf eine neue wichtige Entdeckung. Der Kosmologe Michael Turner von der University of Chicago sagte, er betrachte dieses Jahrzehnt als das WIMP-Jahrzehnt .

Signal / Rauschen

Die meisten Theoretiker neigten anfangs zur schweren WIMP-Variante und glaubten, dass dunkle Materie aus Partikeln mit einem Gewicht von etwa 100 GeV besteht. Massen subatomarer Teilchen werden in Einheiten von Masse-Energie-Elektronenvolt gemessen. Zum Beispiel beträgt die Masse eines Protons 1 GeV. Die neuesten Erkenntnisse scheinen jedoch die Option von Lichtteilchen zu unterstützen, bei denen ihre Masse im Bereich von 7 bis 10 GeV liegt. Aus diesem Grund ist es schwierig, sie direkt zu registrieren, da viele Experimente auf der Messung des Rückstoßes des Kerns beruhen.

Solche Experimente werden normalerweise tief unter der Erde durchgeführt, um kosmische Strahlen besser herauszufiltern, die leicht mit Signalen der dunklen Materie verwechselt werden können. Dabei handelt es sich um einen Detektor mit sorgfältig ausgewähltem Zielmaterial, beispielsweise Germanium- oder Siliziumkristallen oder flüssigem Xenon. Dann warten die Physiker auf seltene Fälle einer Kollision von Partikeln der dunklen Materie und Atomkernen des Zielmaterials. Dies sollte zu Lichtblitzen führen. Wenn diese hell genug sind, zeichnet der Detektor sie auf.

Dies bedeutet, dass ein Teilchen der dunklen Materie, um es zu detektieren, genügend Energie tragen muss, um ein Signal zu erzeugen, das über der Detektorempfindlichkeitsschwelle liegt, wenn es mit dem Kern kollidiert. Und leichte WIMPs tun dies mit geringerer Wahrscheinlichkeit. Neil Weiner von der NYU sagt, dass der Unterschied in WIMP-Szenarien der gleiche ist wie der Unterschied zwischen Kollisionen zwischen zwei Bowlingkugeln und einem Tischtennisball mit einer Bowlingkugel. "Ein kinetisch schweres Teilchen ist viel einfacher, solche Energie zu übertragen als Licht", sagt er.

Wie suchen Physiker nach dunkler Materie? Sehen Sie sich Bursts in den von den Detektoren gesammelten Daten an. Die Signalstärke wird durch die Anzahl der statistischen Standardabweichungen oder Sigma vom erwarteten Hintergrundwert bestimmt. Diese Metrik wird oft mehrmals hintereinander mit einem Münzschwanz verglichen. Das Ergebnis von drei Sigma ist bereits ein ernstzunehmender Hinweis, der dem Verlust einer Münze durch eine Seite neunmal hintereinander entspricht.

Viele dieser Signale werden gedämpft oder verschwinden und werden mit dem Aufkommen neuer Daten statistisch weniger wichtig. Der Goldstandard für Entdeckungen ist Five Sigma , was einem Fall in 21 Schwänze hintereinander entspricht. Wenn mehrere Personen gleichzeitig Münzen werfen und jeder mehrmals hintereinander einen Schwanz hat - oder mehrere Experimente ein Signal von drei Sigma in einer Massenlücke finden - wird sogar ein unwahrscheinliches Ergebnis möglich.

Einige der Hinweise auf dunkle Materie liegen im schwierigen Bereich von 2,8 Sigma. "Alle diese vielversprechenden Ergebnisse können in einer Woche abgelehnt werden", sagte Matthew Buckley vom National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi (Fermilab). "Aber solche Dinge beginnen immer mit Hinweisen." Wenn Sie mehr Daten erfassen, wird der Hinweis statistisch signifikanter. “

Hintergrundgeräusche erschweren die Aufgabe. "Sie suchen nach einem" Signal ". "Hintergrund" ist alles andere, was Ihrem Signal ähnelt und es schwierig macht, es zu finden ", schrieb Matthew Strasler, Physiker an der Rutgers University, im Juli 2011 in einem Blog. Später fügte er hinzu: „Wenn Sie den kleinen Hintergrund nicht berücksichtigen, tritt er normalerweise in Form zusätzlicher Kollisionen mit niedriger Energie auf, die sehr an leichte WIMPs erinnern. Mit anderen Worten, helle dunkle Materie sieht aus wie ein fehlerhaftes Signal. “

Strasler verglich die Aufgabe mit dem Versuch, eine Gruppe von Menschen in einem Raum voller Menschen zu finden . Wenn Ihre Freunde die gleichen leuchtend roten Jacken tragen und alle anderen Kleidung in anderen Farben tragen, ist es leicht, ein Signal zu finden. Wenn andere Personen ebenfalls leuchtend rote Jacken tragen, verbergen zufällige Gruppen von Fremden das Signal. Stellen Sie sich vor, Sie haben die Anzahl der Personen in roten Jacken falsch eingeschätzt oder sind sogar farbenblind. In jedem dieser Fälle werden Sie die falsche Schlussfolgerung ziehen: dass Sie Ihre Freunde gefunden haben, obwohl das Signal tatsächlich eine zufällige Gruppe von Fremden ist.

Beweise für heute

Trotz dieser Herausforderungen führten verschiedene Experimente zu vielversprechenden, wenn auch kontroversen Ergebnissen. Vor mehr als zehn Jahren fand das DAMA / LIBRA- Experiment (Suche nach dunkler Materie mit einem Kaliumiodid-Detektor mit Thalliumzusatz), das sich tief im mittelitalienischen Berg Gran Sasso d'Italia befindet, geringe Schwankungen in der Anzahl der Kollisionen pro Jahr. Eine Gruppe von Wissenschaftlern sagte, sie hätten ein Teilchen der dunklen Materie in Form eines hellen WIMP mit einem Gewicht von etwa 10 GeV entdeckt.


DAMA / LIBRA

Andere Physiker haben ernsthafte Zweifel geäußert. Obwohl das Signal von DAMA / LIBRA wirklich war, könnte es ein Beweis für etwas anderes sein. Die Tatsache, dass XENON10 in einem anderen Experiment, das sich im Darm desselben Berges befindet, das Signal in derselben Energielücke nicht erkennen konnte, half nichts. Dasselbe geschah mit dem CDMSII- Experiment, das in einer tiefen Mine im Sudan, Minnesota, durchgeführt wurde. Beide kürzlich durchgeführten Experimente waren empfindlich genug, um ein Signal dieser Energie zu erfassen, wenn das DAMA / LIBRA-Ergebnis tatsächlich mit der Dunklen Energie zusammenhängt.

Ein anderes Experiment, CRESST , detektierte ein Signal. Es entsprach jedoch nicht vollständig dem Signal von DAMA / LIBRA, und seine Analyse konnte nicht alle möglichen Hintergrundgeräusche berücksichtigen, die das gewünschte Signal emulieren könnten. Darüber hinaus irritierte DAMA / LIBRA die Wissenschaftler, indem sie sich weigerten, die Daten der Öffentlichkeit zugänglich zu machen, damit andere sie untersuchen konnten.

Bei der Diskussion der Unterschiede zwischen Experimenten kochen Leidenschaften oft. "Es kommt vor, dass Sie einen Bericht über dunkle Materie machen, und alles endet in einem Kampf", sagt Buckley.

Das Ergebnis der italienischen Wissenschaftlergruppe erwies sich jedoch als recht stabil. Kolar beschloss zusammen mit anderen leidenschaftlichen Kritikern, den Irrtum der DAMA / LIBRA-Entdeckungen zu beweisen, indem er sein Experiment namens CoGeNT organisierte . Im Jahr 2011 fiel dieser Plan auseinander, als eine vorläufige Analyse der CoGeNT-Daten die Ergebnisse bestätigte.

„Wir haben CoGeNT mit der Absicht entwickelt, DAMA freizulegen, und jetzt stecken wir plötzlich im selben Parameterraum fest“, sagt Kolar. Aufgrund eines Brandes in der sudanesischen Mine, in der das Experiment stattfand, wurden jedoch erste Entdeckungen aus Daten über einen Zeitraum von nur 15 Monaten gewonnen. Und sie zeigen ein weiteres 2,8-Sigma-Signal. Jetzt analysiert das Kolar-Team die Daten, die für alle dreieinhalb Jahre des Experiments erhalten wurden, was dieses Signal verstärken sollte - wenn es real ist.


CoGeNT-Experiment

Zweifel sind nicht verschwunden. CDMSII-Ergebnisse zeigen drei Ereignisse aus derselben 10-GeV-Region. Zwei Jahre zuvor wurden zwei Ereignisse, die der Dunklen Materie ähnlich waren, auf CDMSII aufgezeichnet, aber nach sorgfältiger Analyse wurden sie verworfen. Diesmal "hatten wir drei klare Ereignisse", sagt Zurek.

"Wenn jemand dunkle Materie sehen würde, würde es so aussehen", sagt sie. Aber aufgrund der Tatsache, dass sie sich immer noch an der Grenze von 2,8 Sigma befinden, "wird niemand glauben, dass diese drei Ereignisse auf dunkle Materie zurückzuführen sind, bis jemand anderes sie sieht." Die neuesten Erkenntnisse haben Physiker mit XENON10 bereits dazu veranlasst, ihre Analyse zu überprüfen und zu dem Schluss zu kommen, dass sie fälschlicherweise Hinweise auf die auf DAMA / LIBRA gefundenen Lungen-WIMPs zurückgewiesen haben.

Plötzlich ist die leichte WIMP-Variante zumindest wahrscheinlich und wird durch Hoopers Analyse der vom Zentrum unserer Milchstraße emittierten Gammastrahlen gestützt, die Hinweise auf ein Signal der dunklen Materie zeigen, das der 10-GeV-Variante entspricht.

Dies ist jedoch nicht die einzige Option. WIMP ohne interessante Dynamik - egal wie viel Masse sie sind - ist nur die einfachste Version der Dunklen Materie. Es kann verschiedene Arten von Partikeln der dunklen Materie geben, mit unterschiedlichen Arten von Wechselwirkungen durch dunkle Kräfte, die den gesamten "dunklen Sektor" des Universums ausmachen, den Theoretiker gerade erst zu erforschen beginnen. Weiner glaubt, dass Modelle mit dunkler Kraft „der einfachste Weg sind, einige dieser Anomalien zu erklären“, warnt jedoch davor, dass die Prototyp-Demonstration noch weit entfernt ist. Zyurek stimmt zu: „Im Prinzip können wir eine beliebige Anzahl von Theorien aufschreiben, aber die Natur muss nur eine auswählen“, sagt sie.

Wann können wir herausfinden, ob all diese Hinweise echt sind? Vielleicht muss es im Laufe des Jahres viel länger warten. Physiker, die versuchen, dunkle Materie zu finden, könnten jedoch bald auf pragmatischere Einschränkungen stoßen: Budgetkürzungen. Eine Vielzahl von Experimenten ist wichtig für die Suche. "Da wir nicht wissen, durch welche Teilchenphysik dunkle Materie mit normaler interagiert, minimieren verschiedene Experimente die Wahrscheinlichkeit, dass dunkle Materie aufgrund der falschen Wahl fehlt. Wenn in mehreren Experimenten etwas gefunden wird, können theoretische Modelle viel schneller verworfen werden." sagte Buckley. Alle Experimente sind jedoch erforderlich, um die Ergebnisse dem US-Energieministerium zu melden, und nur 2-3 von ihnen können überleben.

"Die Abteilung bringt die Dinge in Ordnung", sagt Kolar. - Vielfalt ist gut, aber der Geldbetrag ist begrenzt. Wenn die im Bau befindlichen Detektoren ausfallen, wird es sehr schwierig sein, die Motivation zu finden, weiterzumachen. “

Anmerkung des Übersetzers; seit dem Schreiben des Originalartikels:

• Der CRESST-Detektor wurde 2015 aktualisiert und die Empfindlichkeit um das 100-fache erhöht, sodass jetzt Partikel der dunklen Materie mit einer Masse erfasst werden können, die ungefähr der Masse des Protons entspricht. Er wird durch das EURECA-Experiment (European Underground Rare Event Calorimeter Array) ersetzt.
• CDMSII-Detektor durch SuperCDMS-Detektor der nächsten Generation ersetzt
• Die Ergebnisse des CoGeNT-Experiments wurden verarbeitet, und es wurde der Schluss gezogen, dass die als WIMP empfangenen empfangenen Signale nicht für Hintergrundgeräusche berücksichtigt wurden.
• 2016 wurde der XENON10-Detektor durch den empfindlicheren XENON1T ersetzt, wodurch die Empfindlichkeit um das 100-fache erhöht wurde.
• Um den DAMA / LIBRA-Sensor in Australien zu reproduzieren, wird das Stawell Underground Physics Laboratory (SUPL) gebaut.
• Bis Februar 2017 liegen keine überzeugenden Beweise für den Nachweis von Partikeln der dunklen Materie vor.