Auf der Suche nach Dunkler Materie – Das DarkSide-50-Experiment unter dem Gran Sasso

Das DarkSide-50-Experiment wird rund 1,6 Kilometer unter dem Gran Sasso in Italien durchgeführt. Das Bild zeigt einen Blick auf das Städtchen Assergi, dem Sitz der oberirdischen Einrichtungen des Gran Sasso National Laboratory. (Will Taylor)
Das DarkSide-50-Experiment wird rund 1,6 Kilometer unter dem Gran Sasso in Italien durchgeführt. Das Bild zeigt einen Blick auf das Städtchen Assergi, dem Sitz der oberirdischen Einrichtungen des Gran Sasso National Laboratory. (Will Taylor)

Im letzten Herbst startete ein internationales Team unter Leitung der Princeton University ein neues Experiment in einem Labor unter einem Berg etwa 130 Kilometer östlich von Rom (Italien). Das Experiment zielt auf die Entdeckung einer rätselhaften Substanz ab, die ein Viertel des Universums ausmacht, aber bislang noch nicht beobachtet wurde.

Das Experiment namens DarkSide-50 sucht nach Teilchen aus Dunkler Materie. Seit den letzten paar Jahrzehnten wissen die Forscher, dass sichtbare Materie – jene, die wir sehen können – nur etwa vier Prozent des Universums ausmacht, während der Anteil der Dunklen Energie vermutlich rund 73 Prozent beträgt. Man nimmt an, dass Dunkle Materie die restlichen 23 Prozent einnimmt und sie zu finden, so sagen die Forscher, werde unser Wissen darüber vertiefen, wie das Universum entstand, und Licht auf sein endgültiges Schicksal werfen.

“Es ist so, wie die Suche nach dem Higgs-Boson vor zehn Jahren war”, sagte Peter Meyers, ein Physik-Professor von der Princeton University und einer der leitenden Wissenschaftler des Projekts. “Wir haben eine gute Vorstellung davon, wonach wir suchen müssen, aber wir wissen nicht genau, wo oder wann wir es finden werden.”

Das DarkSide-50-Experiment befindet sich in einer höhlenartigen Kammer im Gran Sasso National Laboratory (Italien) und an der Kollaboration sind 17 amerikanische Einrichtungen, das Italian Institute for Nuclear Physics, sowie andere Einrichtungen in Italien, Frankreich, Polen, der Ukraine, Russland und China beteiligt. Das Forschungsteam umfasst Postdoktoranden, wissenschaftliche Mitarbeiter und mehrere Studenten verschiedener Semester aus Princeton.

Die Forscher verbrachten den vergangenen Sommer mit dem Zusammenbau des Detektors, der aus drei mit Flüssigkeit gefüllten Kammern besteht, die wie russische Matroschka-Puppen ineinander liegen. Jetzt da das Experiment gestartet wurde und läuft, beginnt das Warten. Im Gegensatz zu dem großen Large Hadron Collider (LHC), der das Higgs-Boson entdeckte, wird im DarkSide-50-Experiment nichts [absichtlich] zur Kollision gebracht. Stattdessen wurde es entwickelt, um Teilchen aus Dunkler Materie zu registrieren, die sich durch seine Kammern bewegen.

Die Suche nach WIMPs

Die Hinweise auf Dunkle Materie stammen aus den 1930er Jahren, als Astronomen erkannten, dass die Menge der von uns beobachtbaren Materie wie Planeten, Sterne und Galaxien viel zu gering ausfällt, um Galaxien ihre charakteristische Spiralformen und Häufungsmuster zu geben.

Ohne diese fehlende Materie sollten die Galaxien schon vor langer Zeit auseinander geflogen sein. Materie sorgt für die Gravitation, welche die Sterne in Rotation um das Zentrum einer Galaxie hält. Wenn unsere Gravitationstheorien nicht falsch sind (und nur eine Minderheit von Physikern denkt, dass dies eine Möglichkeit ist), dann muss Dunkle Materie existieren.

Augusto Brigatti vom Italian Institute for Nuclear Physics steht in der kugelförmigen, mittleren Kammer des DarkSide-50-Experiments. (Photo by Augusto Brigatti, Italian Institute for Nuclear Physics)
Augusto Brigatti vom Italian Institute for Nuclear Physics steht in der kugelförmigen, mittleren Kammer des DarkSide-50-Experiments. (Photo by Augusto Brigatti, Italian Institute for Nuclear Physics)

“Teilchen aus Dunkler Materie zu finden, würde helfen, unser Wissen über das Universum zu bestätigen”, sagte Cristiano Galbiati, ein außerordentlicher Professor in Princeton. “Und egal, ob wir sie finden oder nicht – wir werden viel darüber erfahren haben, wie man nach ihr suchen kann. Dies ist der aufregendste Moment, den es bei der Suche nach Dunkler Materie jemals gab.”

Obwohl niemand mit Sicherheit weiß, woraus Dunkle Materie besteht, denken das DarkSide-50-Team und viele andere Wissenschaftler, dass der wahrscheinlichste Kandidat ein so schwaches Teilchen ist, dass es als WIMP bezeichnet wird. WIMP steht für “weakly interacting massive particle” (“schwach wechselwirkendes, massereiches Teilchen”). Wie der Name erahnen lässt, interagieren WIMPs kaum mit ihrer Umgebung. Sie bewegen sich einfach durch Wände hindurch wie Geister. Wenn man seine Hände zusammenfaltet, wird man ein paar dieser geisterhaften Teilchen umschließen, aber niemals fangen.

Wissenschaftler vermuten, dass ein WIMP nachgewiesen werden kann, wenn es mit dem Kern eines Atoms kollidiert, beispielsweise einem Argonatom, das sich in der Luft befindet. Wenn das in einer Kammer mit dicht gepackten Argonatomen geschieht, prallt das getroffene Atom zurück und erzeugt eine Reihe angeregter Argonatome in seinem Schlepptau. Diese Spur erscheint als ein flüchtiger Lichtschweif, der mit sogenannten Photodetektoren registriert werden kann.

Aber diese Kollisionen sind selten – pro Jahr werden nur ein paar WIMPs registriert. Weil andere Teilchen ebenfalls Licht abgeben, wenn sie mit Argonatomen zusammenstoßen, befindet sich das DarkSide-50-Experiment fast 1,6 Kilometer unter dem Berg Gran Sasso (“gran sasso” ist italienisch für “großer Stein”). Das Gestein schirmt Teilchen aus kosmischen Strahlen ab, die die Erde ständig bombardieren. “Die seltenen WIMP-Ereignisse von dem Hintergrundrauschen zu trennen, ist die größte Herausforderung aller Experimente mit Dunkler Materie”, sagte Frank Calaprice, ein Physik-Professor in Princeton, der das Projekt gemeinsam mit Meyers und Galbiati leitet.

“DarkSide-50 ist ein Versuch, ein Instrument zu bauen, das so nah wie möglich an einen idealen, ‘rauschfreien’ Detektor heranreicht. Das Design profitiert von Methoden und zwei Jahrzehnten Erfahrung, die die Princeton-Gruppe bei der Entwicklung des Berexino Solar Neutrino Experiments gesammelt hat”, sagte er. Damit bezog er sich auf ein anderes Experiment am Gran Sasso, das letztendlich rekordbrechend geringes Hintergrundrauschen und den Nachweis seltener solarer Neutrinos erzielt hat. Diese Teilchen sind Elementarteilchen, deren Existenz lange vor ihrem Nachweis vorausgesagt wurde.

Die Forscher und Studenten aus Princeton und anderen Einrichtungen haben Stunden in diesem abgelegenen Labor verbracht, das nur durch einen Ausgang in einem fast zehn Kilometer langen Tunnel zugänglich ist. Der Tunnel gehört zu einer Autobahn, die von Rom bis zur Ostküste Italiens führt. Fahrzeuge, die sich dem Labor nähern, werden von einem großen Stahltor und einem Wachposten gestoppt, was Vergleiche mit der Behausung eines Superbösewichts aufkommen lässt.

Das Projekt verdeutliche, warum Princeton ein außergewöhnlicher Ort sei, um als Student zu lernen, sagte der Princeton-Student Will Taylor, der im letzten Oktober eine Woche in dem Labor verbrachte. Er arbeitete an einem System zur Entfernung von Spuren radioaktiver Teilchen aus dem Wasser, das in dem Detektor gebraucht wird. “Wenn man die Tür eines Professors offenstehen sieht, kann man reingehen und fragen, ob man an einem Experiment mitarbeiten darf – das ist es, was Princeton so besonders macht. Und dies ist eines der kompliziertesten Experimente der Welt”, sagte Taylor.

Vorbereitung für hochempfindliche Messungen

DarkSide-50 befindet sich in einer von drei Höhlen unter dem Gran Sasso. Der WIMP-Detektor selbst hat etwa die Größe einer Einkaufstüte und enthält zehn Gallonen reines Argon. Man hat es verflüssigt, indem man es auf -186 Grad Celsius herunterkühlt. Der aktive Teil des Detektors, eingebettet in Teflon, enthält 50 Kilogramm aktives Argon, daher der Name DarkSide-50. Über und unter dem Behälter sind Reihen mit Photodetektoren angebracht, die das Licht der Kollisionen registrieren. Zusätzlich sammeln Kupferspulen Elektronen, die von den zurückprallenden Argonatomen weggerissen wurden. Das hilft bei der Bestimmung dessen, wo innerhalb des Detektors die Kollision stattfand.

Der mit Argon gefüllte Behälter sitzt in einer zimmergroßen Stahlkugel, die auf Pfeilern ruht und mit 7.000 Gallonen einer Flüssigkeit gefüllt ist, welche als Szintillator bezeichnet wird. Die Kugel befindet sich innerhalb eines drei Stockwerke hohen, zylindrischen Tanks, der 250.000 Gallonen ultrareines Wasser enthält (siehe die Grafik unten). Beide äußeren Kammern werden helfen, WIMPs von den Myonen der kosmischen Strahlen und von Neutronen zu unterscheiden, welche durch Restradioaktivität der Materialien emittiert werden, die zum Bau des Detektors verwendet wurden. Ein WIMP, das mit dem Argon interagiert, wird nirgendwo anders beobachtet werden. Das Neutron und das Myon hingegen werden einerseits mit dem Argon und andererseits mit dem Szintillator oder dem Wasser wechselwirken, was den Forschern erlaubt, die WIMPs von den anderen Teilchen zu unterscheiden.

Schematischer Aufbau des DarkSide-50-Experiments. (Illustration courtesy of DarkSide-50, Gran Sasso National Laboratory)
Schematischer Aufbau des DarkSide-50-Experiments. (Illustration courtesy of DarkSide-50, Gran Sasso National Laboratory)

Nach der Fertigstellung der Konstruktion im vergangenen Sommer begannen die Forscher und Ingenieure damit, die Detektionskammern zu füllen. Erst füllten sie den inneren Behälter mit Argon, dann die Kugel und zuletzt den Tank. Dieser Prozess dauerte Wochen. “Jeder Tank musste überprüft werden, um zu gewährleisten, dass er funktionierte, bevor der nächste gefüllt werden konnte”, sagte Shawn Westerdale, ein Physik-Student im Abschlussjahr. Im Herbst traf sich das Team täglich, um die Fortschritte zu besprechen, wobei manche Mitglieder per Anruf oder Videokonferenz aus Italien teilnahmen, nachdem sie die letzten Überprüfungen des Equipments durchgeführt hatten. Als das System bereit war, kam die Zeit, es einzuschalten.

“Das erstmalige Einschalten eines Detektors ist die aufregendste Zeit im Leben eines Physikers – es ist wie der Weihnachtsmorgen”, sagte Maria Elena Monzani vom SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien, ein Mitglied der DarkSide-50-Kollaboration. Wenn sie nicht in dem unterirdischen Labor arbeiten, bleiben die Forscher in der kleinen Stadt Assergi, dem Sitz der oberirdischen Einrichtungen des Gran Sasso Laboratory.

Die Princeton-Studentin Cynthia Steinhardt verbrachte den Sommer in Assergi und half bei der Installation von Teilen des Detektors und bei der Erstellung von Computersimulationen, welche die korrekte Funktion der Photodetektoren gewährleisten sollten. Während der Installation arbeiteten sie und die anderen in Klasse-100-Reinräumen, wobei sie Ganzkörperanzüge trugen, um die Ausrüstung vor den kleinen Mengen natürlich auftretender Radioaktivität in der Umgebung zu schützen. Klasse-100-Reinräume wurden entwickelt, um niemals mehr als 100 Teilchen mit 0,5 Mikrometern Durchmesser oder größer pro Kubikfuß Luft (ca. 28 Liter) zu erlauben. “Es war ein Privileg, Teil von etwas so Wichtigem zu sein”, sagte Steinhardt. “Ich konnte mich an praktisch jedem Aspekt des Experiments beteiligen, von der Programmierung bis zur Konstruktion und Verkabelung, gelegentliche Reinigungen inbegriffen.”

Maria Okounkove nutzte die Fähigkeiten, die sie im Rahmen ihrer studentischen Ausbildung im Hauptfach Physik erlernt hat. “Ich liebe es, zu programmieren und mit Zahlen zu arbeiten, also wandte ich mein Wissen über Elektromagnetismus und Teilchenphysik auf Simulationen von WIMP-Argon-Kollisionen an”, sagte sie. “Es war sehr lohnend, das anzuwenden, was ich in Princeton über das Projekt gelernt habe.”

Andere Princeton-Mitglieder des Teams sind der Ingenieur William Sands III, Senior Technical Specialist Allan Nelson, Plant Operation Technician Christopher Condon, Borexino General Engineers in Physics Andrea Ianni und Augusto Goretti, die Studenten mit Abschluss Jason Brodsky, Guangyong Koh, Huajie Cao, Pablo Mosteiro, Hao Qian und Emily Shields, Postdoctoral Research Associate Jingke Xu, Associate Research Scholar Henning Back und die Associate Research Scholars/Dicke Fellows Biagio Rossi und Masayuki Wada.

Aufskalierung

Die Forscher begannen mit der Sammlung von Kollisionsdaten im November, aber es wird etwas Zeit brauchen, bevor sie bereit sind, irgendwelche Ergebnisse zu veröffentlichen. Die Demonstration, dass sie die gewünschte Empfindlichkeitsstufe erreicht haben, werde ein wichtiges Ergebnis sein, sogar wenn keine WIMPs registriert wurden, sagte Galbiati.

Die Wissenschaftler planen, die Empfindlichkeit im kommenden Sommer zu steigern, wenn das momentan benutzte, aus der Luft gesammelte Argon durch Argon aus einer Mine in Colorado ersetzt wird. Das Argon aus der Mine enthält 150 Mal weniger natürlich auftretende radioaktive Isotope, deswegen wird seine Verwendung das “Hintergrundrauschen” noch weiter reduzieren.

DarkSide-50 wurde von der National Science Foundation, dem Office of Science des US-Energieministeriums und dem Italian Institute for Nuclear Physics unterstützt. Das Projekt wird drei bis fünf Jahre lang laufen und die Forscher planen bereits die Vergrößerung des DarkSide-Experiments, was die Wahrscheinlichkeit für den Nachweis von WIMPs erhöhen wird. Der größere Detektor würde drei Tonnen flüssiges Argon enthalten, statt den jetzt verwendeten 50 Kilogramm. “Der Detektor, der jetzt die Größe einer Einkaufstüte hat, hätte dann die Größe eines Chevrolet Suburban”, sagte Meyers.

Mit DarkSide-50 und den ungefähr drei Dutzend anderen Detektoren, die jetzt in Betrieb oder geplant sind, denken viele Wissenschaftler, dass Dunkle-Materie-Teilchen innerhalb der nächsten fünf bis zehn Jahre gefunden werden. Es könnten jedoch mehrere Experimente erforderlich sein, um den Nachweis zu bestätigen. Ein anderer Detektor in Gran Sasso, DAMA genannt, registriert seit 1998 Teilchen aus Dunkler Materie, trotzdem blieb die physikalische Gemeinschaft skeptisch. Der Large Hadron Collider, derzeit wegen Wartungsarbeiten außer Betrieb, wird 2015 erneut damit beginnen, Protonen zur Kollision zu bringen, was Teilchen aus Dunkler Materie produzieren könnte.

“Falls DarkSide-50 Dunkle Materie findet, dann werden wir bestätigt haben, dass sie aus Elementarteilchen besteht und dann wird sie zu etwas, das wir in einem Labor untersuchen können”, sagte Meyers. “Weil wir nur etwa drei Teilchen pro Jahr registrieren können, werden wir sie in absehbarer Zeit kaum in Flaschen abfüllen. Aber weil wir wissen werden, wie man sie sehen kann, können wir anfangen, sie zu untersuchen.”

“Was immer Dunkle Materie auch ist, sie ist etwas Neues – Etwas, das nie zuvor registriert wurde”, sagte Taylor, der sich jetzt an Graduiertenschulen bewirbt und hofft, weiter an der Suche mitarbeiten zu können. “Das ist einfach nur sehr aufregend.”

Quelle: http://www.princeton.edu/main/news/archive/S38/93/66K60/index.xml

(THK)

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