Die Jagd nach Dunkler Materie wird immer kälter. Wissenschaftler entwickeln ultrakalte Quantentechnologie, um die schwer fassbare und mysteriöseste Materie im Universum aufzuspüren, die derzeit eines der größten Rätsel der Wissenschaft ist.
Obwohl die Menge der Dunklen Materie in unserem Universum etwa sechsmal so groß ist wie die der gewöhnlichen Materie, wissen Wissenschaftler nicht, was sie ist. Dies liegt zum Teil daran, dass kein von der Menschheit geplantes Experiment jemals in der Lage war, es zu entdecken.
Um dieses Problem zu lösen, haben sich Wissenschaftler mehrerer Universitäten im Vereinigten Königreich zusammengetan, um zwei der empfindlichsten Detektoren für dunkle Materie zu bauen, die es je gab. Ziel jedes Experiments ist die Suche nach einem anderen hypothetischen Teilchen, aus dem Dunkle Materie bestehen könnte. Obwohl sie teilweise ähnliche Eigenschaften aufweisen, weisen diese Partikel auch völlig unterschiedliche Eigenschaften auf, die unterschiedliche Nachweistechniken erfordern.
Die in beiden Experimenten verwendete Ausrüstung ist so empfindlich, dass die Komponenten auf ein Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden müssen, der theoretisch unerreichbaren Temperatur, bei der alle Atombewegungen aufhören würden. Diese Kühlung muss stattfinden, um zu verhindern, dass Störungen oder „Rauschen“ von der Außenwelt die Messungen verfälschen.
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„Wir nutzen Quantentechnologien bei extrem niedrigen Temperaturen, um die bisher empfindlichsten Detektoren zu bauen“, sagte Teammitglied Samuli Autti von der Lancaster University in einer Erklärung. „Ziel ist es, diese mysteriöse Materie direkt im Labor zu beobachten und eines der größten Rätsel der Wissenschaft zu lösen. »
Wie dunkle Materie Wissenschaftler im Dunkeln tappen ließ
Dunkle Materie stellt für Wissenschaftler ein großes Problem dar, denn obwohl sie etwa 80 bis 85 Prozent des Universums ausmacht, bleibt sie für unsere Augen nahezu unsichtbar. Tatsächlich interagiert dunkle Materie nicht mit heller oder „normaler“ Materie, und wenn doch, sind diese Wechselwirkungen selten oder sehr schwach. Oder vielleicht beides. Wir wissen es einfach nicht.
Dank dieser Eigenschaften wissen Wissenschaftler jedoch, dass dunkle Materie nicht aus Elektronen, Protonen und Neutronen bestehen kann, die alle zur Familie der Baryonen gehören, Teilchen, aus denen alltägliche Materie besteht, wie die Sterne, die Planeten, die Monde usw Leichen, Eis und die Katze des Nachbarn. All diese „normalen“ Dinge können wir sehen.
Der einzige Grund, warum wir glauben, dass dunkle Materie existiert, ist, dass diese mysteriöse Substanz Masse hat. Es interagiert daher mit der Schwerkraft. Dunkle Materie kann durch diese Wechselwirkung die Dynamik gewöhnlicher Materie und Licht beeinflussen, was uns Rückschlüsse auf ihre Anwesenheit zulässt.
Die Astronomin Vera Rubin entdeckte die Existenz dunkler Materie, die bereits vom Wissenschaftler Fritz Zwicky theoretisiert wurde, weil sie Galaxien beobachtete, die sich so schnell drehten, dass sie zerbrechen würden, wenn ihr einziger Gravitationseinfluss von sichtbarer baryonischer Materie ausgehen würde. Aber was Wissenschaftler wirklich wollen, ist keine Schlussfolgerung, sondern ein positiver Nachweis von Teilchen der Dunklen Materie.
Eines der hypothetischen Teilchen, die derzeit als Hauptverdächtige für Dunkle Materie gelten, ist das „Axion“, ein sehr leichtes Teilchen. Wissenschaftler gehen außerdem davon aus, dass dunkle Materie aus neuen, massereicheren Teilchen (noch unbekannt) bestehen könnte, deren Wechselwirkungen so schwach sind, dass wir sie noch nicht beobachtet haben.
Axionen und diese unbekannten Teilchen würden ultraschwache Wechselwirkungen mit Materie zeigen, die theoretisch mit ausreichend empfindlicher Ausrüstung nachgewiesen werden könnten. Bei zwei Hauptverdächtigen handelt es sich jedoch um zwei Ermittlungen und zwei Experimente. Dies ist notwendig, da sich die aktuelle Forschung zur Dunklen Materie typischerweise auf Teilchen mit Massen zwischen dem 5- und 1.000-fachen der Masse eines Wasserstoffatoms konzentriert. Das bedeutet, dass hellere Teilchen der Dunklen Materie möglicherweise unbemerkt bleiben.
Das QUEST-DMC-Experiment (Quantum Enhanced Superfluid Technologies for Dark Matter and Cosmology) wurde entwickelt, um gewöhnliche Materie nachzuweisen, die mit Teilchen der dunklen Materie in Form neuer, unbekannter, schwach wechselwirkender Teilchen mit Massen zwischen 1 % und manchmal der eines Wasserstoffatoms kollidiert . QUEST-DMC verwendet superflüssiges Helium-3, ein leichtes und stabiles Heliumisotop mit einem Kern aus zwei Protonen und einem Neutron, das auf einen makroskopischen Quantenzustand abgekühlt wird, um eine Rekordempfindlichkeit bei der Erkennung ultraschwacher Wechselwirkungen zu erreichen.
QUEST-DMC wäre jedoch nicht in der Lage, extrem leichte Axionen nachzuweisen, deren theoretische Masse milliardenfach leichter wäre als die eines Wasserstoffatoms. Dies bedeutet auch, dass solche Axionen nicht durch ihre Wechselwirkung mit gewöhnlichen Materieteilchen nachweisbar wären.
Aber was ihnen an Masse fehlt, sollten Axionen durch ihre Anzahl wettmachen, wobei diese hypothetischen Teilchen voraussichtlich äußerst häufig vorkommen. Daher ist es am besten, nach diesen Verdächtigen der Dunklen Materie zu suchen, indem man eine andere Signatur verwendet: das winzige elektrische Signal, das beim Zerfall von Axionen in einem Magnetfeld entsteht.
Wenn ein solches Signal existiert, müssten die Detektoren für ihre Erkennung auf die maximale Empfindlichkeitsstufe ausgeweitet werden, die nach den Regeln der Quantenphysik zulässig ist. Das Team hofft, seine Quantensensoren für den verborgenen Sektor einzusetzen Der Quantenverstärker (QSHS) wäre dazu in der Lage.
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Wenn Sie im Vereinigten Königreich sind, kann sich die Öffentlichkeit auf der Lancaster University Summer Science Exhibition über die QSHS- und QUEST-DMC-Experimente informieren. Besucher können auch sehen, wie Wissenschaftler mithilfe eines Gyroskops in einer Box, die sich aufgrund eines unsichtbaren Drehimpulses seltsam bewegt, auf das Vorhandensein dunkler Materie in Galaxien schließen.
Darüber hinaus zeigt die Ausstellung einen leuchtenden Verdünnungskühlschrank, um die für die Quantentechnologie erforderlichen extrem niedrigen Temperaturen zu demonstrieren, während das Modell eines Kollisionsdetektors für dunkle Materieteilchen zeigt, wie sich unser Universum verhalten würde, wenn dunkle Materie mit Materie und Licht interagiert, wie es bei alltäglicher Materie der Fall ist.
Die Papiere des Teams, die die QSHS- und QUEST-DMC-Experimente detailliert beschreiben, wurden im European Physical Journal C und auf der Artikel-Repository-Site arXiv veröffentlicht.