Astronomen wissen nicht, was dunkle Materie ist, aber sie wissen, dass sie ungefähr 25% des Universums einnimmt. Ein leistungsstarker Detektor tief unter der Erde in einem Minenschacht in Minnesota könnte dem Rätsel auf den Grund gehen. Das Projekt Cryogenic Dark Matter Search II wird versuchen, schwach wechselwirkende massive Partikel (auch bekannt als WIMPS) zu erkennen. Diese theoretischen Teilchen interagieren normalerweise nicht mit Materie, aber die gelegentliche seltene Kollision kann nachweisbar sein.
"Es ist immer schwieriger, sich von der Tatsache zu lösen, dass es da draußen eine Substanz gibt, die den größten Teil des Universums ausmacht, die wir nicht sehen können", sagt Cabrera. "Die Sterne und Galaxien selbst sind wie Weihnachtsbaumlichter auf diesem riesigen Schiff, das dunkel ist und weder Licht absorbiert noch emittiert."
Tief unter der Erde in einem Minenschacht in Minnesota liegt Cabreras Projekt namens Cryogenic Dark Matter Search II (CDMS II). Der Physiker Bernard Sadoulet von der University of California-Berkeley fungiert als Sprecher der Bemühungen. Dan Bauer von Fermilab ist der Projektmanager, und Dan Akerib von der Case Western Reserve University ist der stellvertretende Projektmanager. Ein Team von 46 Wissenschaftlern an 13 Institutionen arbeitet an dem Projekt mit.
Ein WIMP fangen
Das Experiment ist das empfindlichste der Welt, das darauf abzielt, exotische Partikel namens WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles) zu entdecken. Dies ist eine der besten Vermutungen der Wissenschaftler darüber, was dunkle Materie ausmacht. Andere Optionen sind Neutrinos, theoretisierte Teilchen, sogenannte Axionen, oder sogar normale Materie wie Schwarze Löcher und braune Zwergsterne, die einfach zu schwach sind, um sie zu sehen.
Es wird angenommen, dass WIMPS eine neutrale Ladung haben und mehr als das 100-fache der Masse eines Protons wiegen. Im Moment existieren diese Elementarteilchen nur theoretisch und wurden nie beobachtet. Wissenschaftler glauben, sie noch nicht gefunden zu haben, weil sie äußerst schwer zu erfassen sind. WIMPS interagieren nicht mit den meisten Materien - die schüchternen Partikel passieren unseren Körper -, aber CDMS II zielt darauf ab, sie bei einer seltenen Kollision mit den Atomen in den speziell für das Projekt hergestellten Detektoren einzufangen.
"Diese Partikel passieren die Erde meist ohne Streuung", sagt Cabrera. "Der einzige Grund, warum wir überhaupt die Chance haben, Ereignisse zu sehen, ist, dass [es] so viele Partikel gibt, dass sehr selten eines [in den Detektor] kommt und sich zerstreut."
Die Detektoren sind in der Soudan-Mine in Minnesota unter Erdschichten versteckt, um sie vor kosmischen Strahlen und anderen Partikeln zu schützen, die mit den Detektoren kollidieren und für dunkle Materie gehalten werden könnten. Tatsächlich besteht die halbe Miete für die Wissenschaftler, die an CDMS II arbeiten, darin, ihre Instrumente so weit wie möglich vor allem außer WIMPS zu schützen und ausgefeilte Systeme zu entwickeln, um den Unterschied zwischen dunkler Materie und profaneren Partikeln zu erkennen.
„Unser Detektor ist dieses Hockey-Puck-förmige Ding, das bei 50 Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt leben muss“, sagt Walter Ogburn, ein Doktorand in Stanford, der an dem Projekt arbeitet. "Es ist schwer, Dinge so kalt zu machen."
Zu diesem Zweck befinden sich die Instrumente in einem Kanister, der als Kühlbox bezeichnet wird und mit sechs Isolierschichten ausgekleidet ist, von Raumtemperatur außen bis kältestem innen. Dies hält die Detektoren so kalt, dass selbst Atome nicht zittern können.
Die Detektoren bestehen aus Kristallen aus festem Silizium und festem Germanium. Die Silizium- oder Germaniumatome sitzen still in einem perfekten Gitter. Wenn WIMPS gegen sie stoßen, wackeln sie und geben winzige Wärmepakete ab, die Phononen genannt werden. Wenn Phononen an die Oberfläche der Detektoren steigen, erzeugen sie eine Veränderung in einer sehr empfindlichen Wolframschicht, die die Forscher aufzeichnen können. Ein zweiter Schaltkreis auf der anderen Seite des Detektors misst Ionen, geladene Teilchen, die bei einer Kollision eines WIMP und eines Atoms im Detektor freigesetzt würden.
„Mit diesen beiden Kanälen können wir zwischen verschiedenen Arten von Interaktionen unterscheiden“, sagt Ogburn. "Manche Dinge bewirken mehr Ionisation und manche weniger, so dass man den Unterschied auf diese Weise erkennen kann."
Für den Bau der Detektoren ist eine Gruppe von Wissenschaftlern in mehreren Einrichtungen erforderlich. Das Team kauft die Kristalle von einem externen Unternehmen und Forscher des Stanford Center for Integrated Systems stellen Messinstrumente auf den Oberflächen der Detektoren her. "Wir verwenden die gleichen Dinge, um diese herzustellen, mit denen Menschen Mikroprozessoren herstellen, weil diese auch sehr klein sind", sagt Matt Pyle, ein weiterer Doktorand in Cabreras Labor.
Klumpen von Hinweisen
Eine Untergruppe von WIMPS, Neutralinos genannt, sind die leichtesten Partikel, die von der Supersymmetrie erwartet werden. Diese Theorie sagt für jedes bereits beobachtete Partikel einen Partner voraus. Wenn es CDMS II gelingt, Neutralinos zu finden, wäre dies der erste Beweis für Supersymmetrie. "Supersymmetrie legt nahe, dass es einen ganz anderen Sektor von Partikeln gibt, die die Partner unserer vorhandenen Partikel sind", sagt Cabrera. „Es gibt viele Möglichkeiten, wie Supersymmetrie sehr wahrscheinlich erscheint. Es gibt jedoch noch keine direkten Beweise für ein passendes [supersymmetrisches] Partikelpaar. "
Die schwachen Wechselwirkungen von WIMPS sind der Grund, warum dunkle Materieteilchen, obwohl sie Masse haben und den Gesetzen der Schwerkraft gehorchen, nicht wie normale Materie in Galaxien und Sterne verklumpen. Um zu verklumpen, müssen Partikel zusammenbrechen und zusammenkleben. Aber WIMPS flogen meistens direkt nebeneinander. Da WIMPS neutral sind, bilden sie keine Atome, die die Anziehung positiv geladener Protonen zu negativ geladenen Elektronen erfordern.
"Dunkle Materie durchdringt alles", sagt Cabrera. "Es ist einfach nie so zusammengebrochen wie Atome."
Da dunkle Materie niemals Sterne und andere bekannte himmlische Objekte bildete, wussten Wissenschaftler lange Zeit nie, dass sie dort war. Der früheste Hinweis auf seine Existenz kam in den 1930er Jahren, als Fritz Zwicky, ein schweizerisch-amerikanischer Astronom, Galaxienhaufen beobachtete. Er addierte die Massen der Galaxien und bemerkte, dass es nicht genug Masse gab, um die Schwerkraft zu erklären, die existieren musste, um die Cluster zusammenzuhalten. Etwas anderes muss die fehlende Masse liefern, folgerte er.
Später in den 1970er Jahren maß Vera Rubin, eine amerikanische Astronomin, die Geschwindigkeit von Sternen in der Milchstraße und anderen nahe gelegenen Galaxien. Als sie weiter nach außen zu den Rändern dieser Galaxien blickte, stellte sie fest, dass sich die Sterne nicht langsamer drehen, als Wissenschaftler erwartet hatten. "Das ergab keinen Sinn", sagt Cabrera. "Der einzige Weg, wie du es verstehen könntest, ist, wenn dort viel mehr Masse war als im Sternenlicht."
Im Laufe der Jahre häufen sich immer mehr Beweise für dunkle Materie. Obwohl Wissenschaftler noch nicht wissen, was es ist, haben sie eine bessere Vorstellung davon, wo es ist und wie viel davon es geben sollte. "Es gibt nur noch sehr wenig Spielraum für unterschiedliche Mengen", sagt Cabrera.
"Wir haben bisher nichts gesehen, was nach einem interessanten Signal aussieht", sagt er. Aber die CDMS II-Forscher setzen die Suche fort. So auch andere Gruppen. ZEPLIN, ein Experiment, das von Physikern an der Universität von Kalifornien-Los Angeles und der britischen Dark Matter Collaboration durchgeführt wurde, zielt darauf ab, WIMPs in flüssigen Xenon-Bottichen in einer Mine in der Nähe von Sheffield, England, zu fangen. Am Südpol befindet sich ein Projekt der Universität von Wisconsin-Madison mit dem Namen IceCube im Bau, bei dem mithilfe tief im Eis vergrabener optischer Sensoren nach Neutrinos gesucht wird, hochenergetischen Partikeln, die für WIMP-Vernichtungen stehen.
Inzwischen entwickelt sich CDMS II weiter. Die Forscher bauen immer größere Detektoren, um ihre Chancen zu erhöhen, WIMPS zu finden. In Zukunft hofft das Team, einen 1-Tonnen-Detektor bauen zu können, der in der Lage sein sollte, viele der wahrscheinlichsten Arten von WIMPS zu entdecken, falls es sie gibt. "Wir erfassen jetzt Daten mit mehr als doppelt so viel Germanium-Zielmasse wie zuvor. Daher erkunden wir derzeit definitiv Neuland", sagt Ogburn. "Aber es gibt noch viel mehr zu besprechen."
Ursprüngliche Quelle: Stanford News Release
