Neue Forschung nutzt Koaxialschüssel zur Suche nach Dunkler Materie

Eines der großen Geheimnisse der modernen Wissenschaft ist die Dunkle Materie. Wir wissen, dass dunkle Materie aufgrund ihrer Auswirkungen auf andere Objekte im Kosmos existiert, konnten sie jedoch nie direkt sehen. Und das ist keine Kleinigkeit: Derzeit gehen Wissenschaftler davon aus, dass es etwa 85 % der gesamten Masse im Universum ausmacht.

Ein neues Experiment einer Zusammenarbeit unter der Leitung der University of Chicago und des Fermi National Accelerator Laboratory, bekannt als Broadband Reflector Experiment for Axion Detection oder BREAD, hat in einer veröffentlichten Studie seine ersten Ergebnisse bei der Suche nach Dunkler Materie veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung. Obwohl sie keine dunkle Materie fanden, reduzierten sie die Beschränkungen hinsichtlich des Fundorts und demonstrierten einen einzigartigen Ansatz, der die Suche nach der mysteriösen Substanz auf einem Bruchteil des Platzbedarfs und relativ geringen Kosten beschleunigen könnte.

„Wir sind sehr begeistert von dem, was wir bisher erreichen konnten“, sagte UChicago Assoc. Professor David Miller, Co-Leiter des Experiments zusammen mit Andrew Sonnenschein von Fermilab, der ursprünglich das Konzept des Experiments entwickelte. „Dieses Design hat viele praktische Vorteile und wir haben in dieser Frequenz von 11 bis 12 Gigahertz bereits die bisher beste Empfindlichkeit gezeigt.“

„Dieses Ergebnis stellt einen wichtigen Meilenstein für unser Konzept dar und demonstriert zum ersten Mal die Leistungsfähigkeit unseres Ansatzes“, sagte Stefan Knirck, Postdoktorand am Fermilab und Hauptautor der Studie, der den Bau und Betrieb des Detektors leitete. „Es ist großartig, diese Art kreativer Wissenschaft im Tabletop-Maßstab zu betreiben, bei der ein kleines Team alles vom Aufbau des Experiments bis zur Analyse der Daten erledigen kann und gleichzeitig großen Einfluss auf die moderne Teilchenphysik hat.“

‘Da ist etwas’

Wenn wir uns im Universum umschauen, können wir erkennen, dass eine Substanz genügend Schwerkraft ausübt, um Sterne und Galaxien anzuziehen und Licht durchzulassen, aber kein Teleskop oder Gerät hat die Quelle jemals direkt erfasst, daher der Name „dunkle Materie“.

Da jedoch noch nie jemand Dunkle Materie gesehen hat, wissen wir nicht einmal genau, wie sie aussehen könnte oder wo wir genau danach suchen müssen. „Wir sind davon überzeugt, dass es etwas gibt, aber es könnte viele, viele Formen annehmen“, sagte Miller.

Wissenschaftler haben mehrere der wahrscheinlichsten Möglichkeiten ermittelt, wo und nach welchen Formen man suchen sollte. Typischerweise besteht der Ansatz darin, Detektoren zu bauen, die sehr gründlich nach einem bestimmten Bereich (in diesem Fall einer Reihe von Frequenzen) suchen, um ihn auszuschließen.

Doch ein Team von Wissenschaftlern erforschte einen anderen Ansatz. Ihr Design ist „Breitband“, was bedeutet, dass sie eine größere Anzahl von Möglichkeiten durchsuchen können, wenn auch mit etwas weniger Präzision.

„Wenn man es sich wie ein Radio vorstellt, ist die Suche nach Dunkler Materie so, als würde man den Knopf drehen, um nach einem bestimmten Radiosender zu suchen, nur dass es eine Million Frequenzen zu überprüfen gibt“, sagte Miller. „Unsere Methode ähnelt der Analyse von 100.000 Radiosendern und nicht nur einer detaillierten Analyse einiger weniger.“

Ein Proof of Concept

Der BREAD-Detektor sucht nach einer bestimmten Teilmenge von Möglichkeiten. Ziel ist die Suche nach Dunkler Materie in Form sogenannter „Axionen“ oder „Dunkler Photonen“, also Teilchen extrem kleiner Masse, die unter den richtigen Umständen in ein sichtbares Photon umgewandelt werden könnten.

BREAD besteht also aus einem Metallrohr mit einer gekrümmten Oberfläche, das potenzielle Photonen einfängt und an einem Ende zu einem Sensor leitet. Das Ganze ist klein genug, um in Ihre Arme zu passen, was für diese Art von Erlebnis ungewöhnlich ist. In der Großversion wird BREAD in einem Magneten installiert, um ein starkes Magnetfeld zu erzeugen, das die Chancen erhöht, Teilchen der Dunklen Materie in Photonen umzuwandeln.

Um das Prinzip zu beweisen, führte das Team das Experiment jedoch ohne Magnete durch. Die Zusammenarbeit betrieb den Prototyp etwa einen Monat lang bei UChicago und analysierte die Daten.

Die Ergebnisse seien sehr vielversprechend und zeigten eine sehr hohe Empfindlichkeit bei der gewählten Frequenz, sagten die Wissenschaftler.

Da die Ergebnisse veröffentlicht wurden Briefe zur körperlichen Untersuchung angenommen wurden, wurde BREAD in einen umgebauten MRT-Magneten im Argonne National Laboratory verlegt und nimmt weitere Daten auf. Sein späteres Zuhause, das Fermi National Accelerator Laboratory, wird einen noch stärkeren Magneten verwenden.

„Dies ist nur der erste Schritt in einer Reihe spannender Experimente, die wir planen“, sagte Sonnenschein. „Wir haben viele Ideen, um die Empfindlichkeit unserer Axion-Suche zu verbessern.“

„Es gibt noch so viele offene Fragen in der Wissenschaft und enormen Raum für neue, kreative Ideen, um diese Fragen anzugehen“, sagte Miller. „Ich denke, das ist ein wirklich starkes Beispiel für diese Art kreativer Ideen: in diesem Fall wirkungsvolle Kooperationspartnerschaften zwischen kleiner Wissenschaft an Universitäten und größerer Wissenschaft an Universitäten. Nationale Labore.“

Das BREAD-Instrument wurde im Fermilab als Teil des Detektor-F&E-Programms des Labors gebaut und dann an der UChicago betrieben, wo Daten für diese Studie gesammelt wurden. Der Doktorand der UChicago, Gabe Hoshino, leitete zusammen mit den Studenten Alex Lapuente und Mira Littmann den Betrieb des Detektors.

Das Argonne National Laboratory verfügt über eine Magnetanlage, die für die nächste Stufe des BREAD-Physikprogramms genutzt wird. Andere Institutionen, darunter das SLAC National Accelerator Laboratory, das Lawrence Livermore National Laboratory, das Illinois Institute of Technology, das MIT, das Jet Propulsion Laboratory, die University of Washington, Caltech und die University of Illinois at Urbana-Champaign, arbeiten mit UChicago und Fermilab an Forschung und Entwicklung für zukünftige Versionen des Experiments.