Doch Wissenschaftler kommen seiner Entdeckung immer näher

Der größte Teil der Materie im Universum fehlt. Wissenschaftler schätzen, dass etwa 85 % der Materie im Kosmos unsichtbare Dunkle Materie ist, die nur indirekt durch ihre Gravitationswirkung auf ihre Umgebung nachgewiesen wurde.

Meine Kollegen und ich, ein Team von etwa 250 Wissenschaftlern aus der ganzen Welt, die an einem Experiment zur Dunklen Materie namens LUX-ZEPLIN (oder LZ) arbeiten, präsentieren unsere neuesten Erkenntnisse aus der langen Suche, herauszufinden, woraus genau die Dunkle Materie besteht .

Wir haben die schwer fassbaren Teilchen, von denen wir glauben, dass sie die Dunkle Materie ausmachen, noch nicht gefunden, aber wir haben bisher die strengsten Grenzen für ihre Eigenschaften festgelegt. Wir haben auch gezeigt, dass unser Detektor wie erwartet funktioniert und in Zukunft noch bessere Ergebnisse liefern sollte.

Unsere Ergebnisse werden auf der TeV Particle Astrophysics 2024-Konferenz in Chicago und der LIDINE 2024-Konferenz in São Paulo, Brasilien, vorgestellt. Ein Zeitschriftenartikel wird zur Peer-Review eingereicht.

Was ist dunkle Materie?

Wenn Astronomen das Universum beobachten, stellen sie fest, dass die sichtbare Materie aus Sternen, Gas und Galaxien nicht alles ist. Viele Phänomene, etwa die Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien und die Struktur des Nachleuchtens des Urknalls, können nur durch die Anwesenheit großer Mengen einer unsichtbaren Substanz erklärt werden: Dunkle Materie.

Doch woraus besteht diese dunkle Materie? Derzeit kennen wir keine Teilchenart, die diese astronomischen Beobachtungen erklären könnte.

Es gibt Dutzende Theorien, die darauf abzielen, Beobachtungen der Dunklen Materie zu erklären, von unbekannten exotischen Teilchen über winzige Schwarze Löcher bis hin zu grundlegenden Änderungen unserer Gravitationstheorie. Allerdings hat sich noch keine davon als richtig erwiesen.

Eine der populärsten Theorien besagt, dass Dunkle Materie aus „schwach wechselwirkenden massiven Teilchen“ (WIMPs) besteht. Diese relativ schweren Teilchen könnten der Ursprung der beobachteten Gravitationseffekte sein und sehr selten auch mit gewöhnlicher Materie interagieren.

Woher wissen wir, ob diese Theorie richtig ist? Wir gehen davon aus, dass diese Teilchen ständig durch die Erde wandern müssen. Meistens fliegen sie vorbei, ohne mit irgendetwas zu interagieren, aber hin und wieder kann ein WIMP direkt in den Kern eines Atoms krachen – und solche Kollisionen versuchen wir zu erkennen.

Ein großes kaltes Reservoir mit flüssigem Xenon

Das LZ-Experiment findet in einer ehemaligen Goldmine etwa 1.500 Meter unter der Erde in South Dakota, USA, statt. Die Platzierung des Experiments tief unter der Erde trägt dazu bei, so viel Hintergrundstrahlung wie möglich zu eliminieren.

Das Experiment besteht aus einem großen doppelwandigen Tank, der mit sieben Tonnen flüssigem Xenon gefüllt ist, einem auf eine Temperatur von 175 Kelvin (–98 °C) gekühlten Edelgas.

Wenn ein Teilchen aus dunkler Materie mit einem Xenonkern kollidiert, sollte es einen winzigen Lichtblitz aussenden. Zur Erkennung dieser Blitze ist unser Detektor mit 494 Lichtsensoren ausgestattet.

Natürlich sind Teilchen der Dunklen Materie nicht die einzigen, die diese Blitze erzeugen können. Es gibt auch Hintergrundstrahlung aus der Umgebung und sogar von den Tankmaterialien und Detektoren selbst.

Die Feststellung, ob wir Anzeichen dunkler Materie sehen, hängt weitgehend davon ab, diese Hintergrundstrahlung von anderen, exotischeren Phänomenen zu unterscheiden. Dazu führen wir detaillierte Simulationen der Ergebnisse durch, die wir mit und ohne dunkle Materie erwarten würden.

Diese Simulationen standen im Mittelpunkt eines Großteils meiner Beteiligung an dem Experiment, das mit Beginn meiner Doktorarbeit im Jahr 2015 begann. Außerdem entwickelte ich Detektorüberwachungssensoren und war für die Integration und Inbetriebnahme des zentralen Untergrunddetektors verantwortlich, der 2021 mit der Datenerfassung begann .

Ziehen Sie das Netz fest

Unsere neuesten Ergebnisse zeigen keine Anzeichen von Dunkler Materie. Dennoch erlauben sie es uns, viele Möglichkeiten auszuschließen.

Wir haben keine Spur von Partikeln mit Massen größer als 1,6 × 10 gefunden^–26 Kilogramm, was etwa zehnmal schwerer ist als ein Proton.

Diese Ergebnisse basieren auf 280 Tagen Beobachtungen des Detektors. Letztendlich hoffen wir, 1.000 Beobachtungstage zu sammeln, die es uns ermöglichen, nach noch mehr potenziellen Teilchen der Dunklen Materie zu suchen.

Wenn wir Glück haben, entdecken wir in den neuen Daten möglicherweise Dunkle Materie. Ansonsten haben wir bereits mit der Entwicklung von Plänen für ein Experiment zur Dunklen Materie der nächsten Generation begonnen. Das XLZD-Konsortium (XENON-LUX-ZEPLIN-DARWIN) hat sich zum Ziel gesetzt, einen fast zehnmal größeren Detektor zu bauen, der es uns ermöglichen würde, noch mehr von dem Raum zu erkunden, in dem diese allgegenwärtigen, aber schwer fassbaren Teilchen lauern können.

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.