Unter dem Berg findet eine neue Jagd nach dunkler Materie statt

David D'Angelo war nicht immer an dunkler Materie interessiert, aber jetzt ist er an die Spitze der Suche nach dem schwer fassbaren Teilchen im Universum gekommen.

Etwa eine Autostunde von Rom entfernt befindet sich eine dichte Berggruppe namens Gran Sasso d'Italia . Sie sind berühmt für ihre natürliche Schönheit und ziehen das ganze Jahr über Touristen an. Sie bieten erstklassige Skigebiete und Wanderwege im Winter sowie die Möglichkeit, im Sommer zu 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 unter den Bergen, nicht auf ihnen.

Dort, in einem höhlenartigen Raum, der Tausende von Metern unter der Erdoberfläche liegt, arbeitet D'Angelo an einer neuen Generation von Experimenten, die der Suche nach Partikeln dunkler Materie gewidmet sind - einer exotischen Form von Materie, deren Existenz seit mehreren Jahrzehnten angenommen, aber noch nicht experimentell bewiesen wurde.

Es wird angenommen, dass dunkle Materie 27% des Universums ausmacht, und die Beschreibung dieser schwer fassbaren Substanz ist eines der akutesten Probleme der modernen Physik. Obwohl D'Angelo optimistisch glaubt, dass zu Lebzeiten ein Durchbruch eintreten wird, dachte die vorherige Generation von Physikern genauso. Grundsätzlich besteht eine gute Chance, dass die von D'Angelo gewünschten Partikel überhaupt nicht existieren. Für Physiker, die die fundamentale Natur des Universums erforschen, ist die Möglichkeit, eine ganze Karriere in der „Geisterjagd“ zu verfolgen, wie D'Angelo sagt, der Preis für den Fortschritt der Wissenschaft.

Was liegt unter dem "großen Stein"?

1989 eröffnete das Italienische Nationale Institut für Kernphysik das Nationale Labor in Gran Sasso , das größte unterirdische Labor der Welt für Astrophysik. Drei unterirdische Höhlen in Gran Sasso wurden speziell für Physiker gebaut - eine ziemlich schicke Kulisse für ein Forschungszentrum. Die meisten unterirdischen astrophysikalischen Labors wie SNOLAB arbeiten spontan mit alten oder in Betrieb befindlichen Minen, und diese Tatsache begrenzt die Zeit, die im Labor verbracht werden kann, und die Art der verwendeten Ausrüstung.

Gran Sasso, der sich einen Kilometer unter der Erde befindet, um ihn vor lauten kosmischen Strahlen zu schützen, die den Planeten waschen, schützte mehrere Experimente in der Teilchenphysik und untersuchte die Grundlagen des Universums. In den letzten Jahren hat D'Angelo seine Grafik zwischen dem Borexino- Observatorium und dem Natriumiodid mit dem Active Background Rejection Experiment ( SABRE ) geteilt, das solare Neutrinos bzw. dunkle Materie untersucht.


D'Angelo mit einem funktionierenden SABRE-Prototyp

In den letzten 100 Jahren wurde die Beschreibung von solaren Neutrinos und dunkler Materie als die wichtigste Aufgabe der Teilchenphysik angesehen. Heute ist das Rätsel der solaren Neutrinos gelöst, aber diese Teilchen sind für Physiker immer noch äußerst interessant, da sie viele Informationen über die Kernfusion in unserer Sonne und anderen Sternen liefern. Die Zusammensetzung der Dunklen Materie gilt jedoch nach wie vor als eines der größten Probleme der Kernphysik. Trotz der völlig anderen Natur dieser Partikel sind die Fragen ihrer Untersuchung immer noch verwandt, da diese Partikel nur unter Bedingungen minimaler Hintergrundstrahlung nachgewiesen werden können: in Tausenden von Metern unter der Erde.

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

Nach seinem Abschluss bekam D'Angelo eine Stelle am italienischen Nationalen Institut für Kernphysik, wo er sich auf solare Neutrinos konzentrierte, subatomare Teilchen ohne Ladung, die aus der Kernfusion in der Sonne resultieren. Seit fast vier Jahrzehnten stehen solare Neutrinos im Zentrum eines der größten Geheimnisse der Astrophysik. Das Problem war, dass Instrumente, die die Energie von solaren Neutrinos messen, viel weniger Ergebnisse lieferten als diejenigen, die vom Standardmodell vorhergesagt wurden - der genauesten Theorie grundlegender 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 die Physiker das falsche Modell der Sonne erfunden hatten und dass es notwendig war, verbesserte Messungen von Druck und Temperatur in ihrem Kern durchzuführen. Nach einer Reihe von Beobachtungen in den 60er und 70er Jahren stellte sich jedoch heraus, dass die Modelle der Sonne insgesamt korrekt zusammengesetzt waren, und dann wandten sich die Physiker an das Neutrino, um alternative Erklärungen zu erhalten.

Die Geschichte von drei Neutrinos

Seit der österreichische Physiker Wolfgang Pauli in den 1930er Jahren erstmals die Existenz von Neutrinos vorschlug, wurden sie ständig angezogen, Löcher in Theorien zu stopfen. In Paulis Fall war die Annahme der Existenz extrem leichter Teilchen ohne Ladung ein "verzweifeltes Mittel", um zu erklären, warum das Gesetz der Energieerhaltung während des radioaktiven Zerfalls nicht funktioniert. Drei Jahre später gab der italienische Physiker Enrico Fermi diesen hypothetischen Teilchen einen Namen. Er nannte sie " Neutrinos ", was auf Italienisch "kleine Neutronen" bedeutet.

Ein Vierteljahrhundert nach Paulis Annahme berichteten zwei amerikanische Physiker über die ersten Hinweise auf Neutrinos in einem Kernreaktor. Im folgenden Jahr, 1957, entwickelte Bruno Maksimovich Pontecorvo , ein Physiker italienischer Abstammung, der in der UdSSR arbeitete, die Theorie der Neutrinoschwingungen . Zu dieser Zeit waren die Eigenschaften von Neutrinos schlecht untersucht, und Pontecorvo schlug vor, dass es verschiedene Arten von Neutrinos gibt. In diesem Fall sei es möglich, dass Neutrinos ihren Typ ändern könnten.

Bis 1975 wurde Pontecorvos Theorie bewiesen. Es wurden drei verschiedene Arten oder "Aromen" von Neutrinos entdeckt: Elektron, Myon und Tau. Es ist auch wichtig, dass Beobachtungen in einem Experiment in South Dakota zeigten, dass die Sonne Elektronenneutrinos produziert. Das einzige Problem war, dass im Experiment weniger Neutrinos nachgewiesen wurden als im vorhergesagten Standardmodell.

Bis Ende der 90er Jahre gab es kaum Hinweise darauf, dass Neutrinos von einem Geschmack zum anderen übergehen könnten. 1998 beobachtete eine Gruppe von Forschern am Super Kamiokande Observatorium in Japan atmosphärische Neutrinoschwingungen, die hauptsächlich durch Photonenwechselwirkungen mit der Erdatmosphäre verursacht wurden. Drei Jahre später wurde am Sudbury Canadian Observatory (SNO) der erste direkte Nachweis von solaren Neutrinoschwingungen erbracht.

Dies ist, gelinde gesagt, zu einem wichtigen Ereignis in der Kosmologie geworden. Das Geheimnis der fehlenden solaren Neutrinos oder warum etwa ein Drittel der von der Sonne fliegenden Neutrinos in den Experimenten beobachtet wurde, wurde mit den Vorhersagen des Standardmodells verglichen. Wenn Neutrinos schwingen und das Aroma verändern können, können Neutrinos, die vom Kern der Sonne emittiert werden, bereits verschiedene Arten haben, wenn sie die Erde erreichen. Bis Mitte der 80er Jahre wurden in den meisten Experimenten auf der Erde nur Elektronenneutrinos durchsucht, was bedeutet, dass sie zwei andere Geschmacksrichtungen übersehen haben, die auf dem Weg von der Sonne zur Erde auftreten.

Als SNO in den 80er Jahren konzipiert wurde, wurde es so konzipiert, dass es alle drei Arten von Neutrinos erkennen kann, nicht nur elektronische. Und diese Entscheidung hat sich ausgezahlt. Im Jahr 2015 teilten sich die Experimentdirektoren von Super-Kamiokande und SNO den Nobelpreis für Physik, um das Rätsel der fehlenden solaren Neutrinos zu lösen.


Detektor in Boreksino

Obwohl das Rätsel der solaren Neutrinos gelöst wurde, bleibt 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 Neutrino-Schwingungen verbessert und den Physikern beispiellose Informationen über die Kernfusion gegeben, die die Sonne speist. Draußen sieht das Observatorium aus wie eine riesige Metallkugel, und innen sieht es aus wie Technologie, die von einem anderen Planeten stammt.

In der Mitte der Kugel befindet sich tatsächlich ein riesiger transparenter Nylonsack mit einem Durchmesser von 10 m und einer Dicke von einem halben Millimeter. Der Beutel enthält einen flüssigen Szintillator , ein chemisches Gemisch, das beim Durchgang eines Neutrinos Energie freisetzt. Diese Nylonkugel ist in tausend Tonnen gereinigter Pufferflüssigkeit suspendiert und von 2200 Sensoren umgeben, die die von Elektronen emittierte Energie erfassen können, die freigesetzt wird, wenn das Neutrino mit einem flüssigen Szintillator interagiert. Es gibt einen weiteren Puffer, der aus 3.000 Tonnen hochreinem Wasser besteht und den Detektor zusätzlich schützt. All dies zusammen bietet den größten Schutz des Observatoriums vor Umgebungsstrahlung unter allen Flüssigszintillatoren der Welt.

In den letzten zehn Jahren haben Physiker in Borexino - darunter auch D'Angelo, der sich 2011 dem Projekt angeschlossen hat - mit diesem einzigartigen Gerät energiearme solare Neutrinos beobachtet, die durch Protonenkollisionen während der Kernfusion im Solarkern erzeugt wurden. Angesichts der Schwierigkeit, diese ultraleichten Partikel ohne Ladung zu detektieren, die kaum mit Materie interagieren, wäre es ohne eine so empfindliche Maschine praktisch unmöglich, energiearme solare Neutrinos zu detektieren . Als SNO die ersten Schwingungen von Sonnenneutrinos direkt entdeckte, konnte er aufgrund der Interferenz durch Hintergrundstrahlung nur die energiereichsten Sonnenneutrinos beobachten. Und dies waren nur etwa 0,01% der von der Sonne emittierten Neutrinos. Boreksinos Empfindlichkeit ermöglicht es ihm, solare Neutrinos mit einer Energie zu beobachten, die um eine Größenordnung niedriger ist als die von SNO gefundene, was die Möglichkeit eröffnet, ein unglaublich verfeinertes Modell von solaren Prozessen und exotischeren Phänomenen wie Supernovae zu erstellen.

"Die Physiker haben 40 Jahre gebraucht, um solare Neutrinos herauszufinden, und das war eines der interessantesten Geheimnisse der Teilchenphysik", sagte D'Angelo. "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 Neutrinos als verzweifeltes Mittel vorgeschlagen hatte, um zu erklären, warum Experimente gegen eines der grundlegendsten Naturgesetze zu verstoßen scheinen, wurde die Existenz von Partikeln der dunklen Materie vorgeschlagen, da kosmologische Beobachtungen nicht konvergieren.

In den frühen 1930er Jahren untersuchte der amerikanische Astronom Fritz Zwicky die Bewegungen mehrerer Galaxien im Veronica Hair Cluster, einer Sammlung von mehr als 1000 Galaxien, die sich etwa 320 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt befinden. Unter Verwendung der von Edwin Hubble veröffentlichten Daten berechnete Zwicky die Masse des gesamten galaktischen Clusters von Veronicas Haaren. Als er fertig war, entdeckte er etwas Seltsames in der Streuung der Geschwindigkeiten von Galaxien (die statistische Verteilung der Geschwindigkeiten einer Gruppe von Objekten): Die Verteilung der Geschwindigkeiten war zwölfmal höher als der Wert, der auf der Grundlage der Materiemenge berechnet wurde.


Im Labor von Gran Sasso

Es war eine unerwartete Berechnung und ihre Bedeutung entging Zwicky nicht. "Wenn dies bestätigt wird ", schrieb er , "werden wir ein erstaunliches Ergebnis erzielen, wonach es viel mehr dunkle Materie als leuchtende geben wird."

Die Idee, dass das Universum hauptsächlich aus unsichtbarer Materie besteht, schien zur Zeit von Zwicky radikal - so bleibt es bis heute. Der Hauptunterschied besteht jedoch darin, dass die heutigen Astronomen viel empirischere Beweise für ihre Existenz haben. Dies ist größtenteils auf Vera Rubin zurückzuführen , eine amerikanische Astronomin, deren Messungen der Rotation von Galaxien in den 1960er und 70er Jahren alle Zweifel an der Existenz dunkler Materie beseitigten. Basierend auf Rubins Messungen und nachfolgenden Beobachtungen glauben Physiker, dass dunkle Materie etwa 27% der gesamten Materie im Universum ausmacht - etwa siebenmal mehr als gewöhnliche baryonische Materie, die wir kennen. Die Hauptfrage ist, woraus besteht es?

Seit den bahnbrechenden Beobachtungen hat Rubin bereits viele Kandidaten für den Titel von Partikeln der Dunklen Materie angeboten, aber bisher haben sie alle die Erkennung durch selbst die empfindlichsten Instrumente der Welt vermieden. Zum Teil, weil die Physiker nicht ganz sicher sind, wonach sie suchen. Ein kleiner Teil der Physiker glaubt im Allgemeinen, dass dunkle Materie keine Teilchen sind, sondern ein exotischer Gravitationseffekt. Dadurch ähnelt die Versuchsplanung der Suche nach einem Auto auf einem Parkplatz in der Nähe eines Stadions, zu dem kürzlich Schlüssel passen. Es besteht die Möglichkeit, dass sich das Auto auf dem Parkplatz befindet, aber Sie müssen viele Türen umrunden, bis Sie es finden - wenn es überhaupt da ist.

Unter den Kandidaten für dunkle Materie befinden sich subatomare Teilchen mit dummen Namen wie Axionen , Gravitino , massiver astrophysikalischer kompakter Lichthof (MACHO) und schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMP). D'Angelo mit Kollegen von Gran Sasso setzte WIMP ein, das bis vor kurzem als die führenden Kandidaten für dunkle Energie galt.

In den letzten Jahren haben Physiker jedoch begonnen, 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 gewöhnlicher baryonischer Materie interagieren und kein Licht emittieren, was ihre Erkennung äußerst schwierig macht. Dieses Problem wird durch die Tatsache verschärft, dass niemand genau weiß, wie WIMPs aussehen. Natürlich ist es sehr schwierig, etwas zu finden, wenn Sie nicht einmal sicher sind, wonach Sie genau suchen.

Warum glauben Physiker, dass es WIMPs überhaupt gibt? In den 1970er Jahren konzipierten Physiker das Standardmodell der Teilchenphysik, das behauptete, dass alles im Universum aus einer kleinen Menge grundlegender Teilchen besteht. Das Standardmodell erklärt fast alles, was das Universum ihm geben kann, aber es ist immer noch unvollständig, weil die Schwerkraft nicht enthalten ist. In den 1980er Jahren erschien eine Erweiterung von SM unter dem Namen Supersymmetrie , wonach jedes grundlegende Teilchen von SM einen Partner haben sollte. Diese Paare sind als supersymmetrische Teilchen bekannt und werden in theoretischen Erklärungen verschiedener Rätsel der SM-Physik verwendet, beispielsweise der Higgs-Bosonenmasse und der Existenz dunkler Materie. Einige der komplexesten und teuersten Experimente der Welt, wie der Large Hadron Collider, wurden erstellt, um diese supersymmetrischen Partner zu entdecken. Bisher liegen jedoch keine experimentellen Beweise für ihre Existenz vor.

Viele der leichtesten im supersymmetrischen Modell vorgeschlagenen Partikel sind WIMPs und haben Namen wie Gravitino, Sneytrino und Neutralino. Viele Physiker betrachten den letzten immer noch als den führenden Kandidaten für dunkle Materie, und sie glauben, dass sie im frühen Universum in großen Mengen gebildet wurde. Es ist das Ziel vieler Experimente mit TM, Beweise für das Vorhandensein dieses alten theoretischen Teilchens zu finden, einschließlich desjenigen, an dem D'Angelo in Gran Sasso arbeitet.

D'Angelo erzählte mir, dass er sich einige Jahre nach seinem Eintritt in das Gran Sasso-Labor für dunkle Materie interessierte und anfing, zum DarkSide-Experiment beizutragen , das eine natürliche Fortsetzung seiner Arbeit an solaren Neutrinos zu sein schien. DarkSide ist in der Tat ein riesiger Tank, der mit flüssigem Argon gefüllt und mit unglaublich empfindlichen Sensoren ausgestattet ist. Wenn WIMPs existieren, glauben die Physiker, dass sie sie aufgrund der Ionisation nachweisen können, die aufgrund ihrer Wechselwirkung mit Argonkernen auftritt.

DarkSide geht seit 2013 zu Gran Sasso, und D'Angelo sagte, dass es noch einige Jahre dauern wird. Derzeit ist er jedoch an einem weiteren Experiment mit TM in Gran Sasso namens SABRE beteiligt , bei dem auch nach direkten Beweisen für das Vorhandensein von TM-Partikeln gesucht wird, die auf dem Licht basieren, das bei der Freisetzung von Energie infolge ihrer Kollisionen mit Natriumiodidkristallen auftritt.

Das SABRE-Experimentiergerät wurde speziell entwickelt, um wie ein weiteres Experiment auszusehen, das seit 1995 unter dem Namen DAMA an Gran Sasso geht. Im Jahr 2003 begann das DAMA-Experiment mit der Suche nach saisonalen Schwankungen von Partikeln der dunklen 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 Relativgeschwindigkeit aller auf der Erde gefundenen Partikel der Dunklen Materie im Juni ein Maximum und im Dezember ein Minimum erreichen sollte.


David D'Angelo

Seit fast 15 Jahren registriert DAMA tatsächlich saisonale Schwankungen bei Detektoren, die mit der Theorie und der erwarteten Signatur von TM-Partikeln übereinstimmen. Es sah so aus, als wäre DAMA das erste Experiment der Welt, bei dem ein Teilchen dunkler Materie entdeckt wurde. Das Problem war jedoch, dass DAMA die Möglichkeit nicht vollständig ausschließen konnte, dass die von ihm gefundene Signatur mit anderen saisonalen Schwankungen der Erde zusammenhängt und nicht mit Änderungen des Flusses dunkler Materie, die mit der Bewegung der Erde um die Sonne verbunden sind.

SABRE sollte die Mehrdeutigkeit in DAMA-Daten beseitigen. Sobald alle Fehler in der Ausrüstung beseitigt sind, wird das Experiment in Gran Sasso halb SABRE. Die andere Hälfte wird sich in Australien in der ehemaligen Goldmine befinden. Das Vorhandensein von Laboratorien in der nördlichen und südlichen Hemisphäre sollte dazu beitragen, alle Fehlalarme zu beseitigen, die mit normalen saisonalen Schwankungen verbunden sind. SABRE , .

SABRE , . , ', – .

«, , , , , , — '. – -, , ».

' . « , , , — '. – , . , – ».

- Golovanov.net . e-mail, RSS . .

. , !