Ein Diagramm des BREAD-Experiments im Vergleich zu einer Simulation der dunklen Materie.(Bildnachweis: BREAD Collaboration /Ralf Kaehler/SLAC National Accelerator Laboratory)
Ein neues Experiment, das den Kosmos nach seinem geheimnisvollsten „Stoff“, der dunklen Materie, absuchen soll, hat seine ersten Ergebnisse geliefert.
Das von der University of Chicago und dem Fermilab des US-Energieministeriums entwickelte Broadband Reflector Experiment for Axion Detection (BREAD) hat zwar noch keine Teilchen der dunklen Materie aufgespürt, aber die neuen Ergebnisse schränken die Art der Eigenschaften, die Wissenschaftler von solchen Teilchen erwarten können, stärker ein. Das BREAD-Experiment selbst lieferte auch ein aufregendes neues Rezept, das bei der Suche nach dunkler Materie zum Einsatz kommen könnte – ein relativ kostengünstiges Rezept, das nicht viel Platz beansprucht.
BREAD sucht mit einem „Breitband“-Ansatz nach hypothetischen Teilchen aus dunkler Materie, die „Axionen“ genannt werden, und damit verbundenen „dunklen Photonen“ in einem größeren Bereich als andere Experimente, wenn auch mit etwas geringerer Präzision.
„Wenn man es sich wie ein Radio vorstellt, ist die Suche nach dunkler Materie so, als würde man einen bestimmten Radiosender einstellen, mit dem Unterschied, dass es eine Million Frequenzen zu überprüfen gibt“, sagte David Miller, Wissenschaftler an der University of Chicago und Co-Leiter des BREAD-Projekts, in einer Erklärung. „Unsere Methode ist wie ein Scan von 100.000 Radiosendern, anstatt von einigen wenigen sehr gründlich.“
Inhaltsübersicht
Ein kleines Experiment, um ein großes Problem zu bewältigen
Die dunkle Materie stellt für Wissenschaftler ein großes Problem dar, denn obwohl sie etwa 85 % der Materie im Universum ausmacht und durch ihren Einfluss verhindert, dass Galaxien beim Drehen auseinanderfliegen, wissen wir kaum, woraus sie besteht.
Das liegt zum Teil daran, dass dunkle Materie praktisch unsichtbar ist; sie scheint nicht mit Licht zu interagieren, da sie Standardphotonen weder aussendet noch reflektiert. Das Fehlen elektromagnetischer Wechselwirkungen deutet darauf hin, dass die dunkle Materie nicht aus den Protonen, Neutronen und Elektronen besteht, aus denen „normale Materie“-Objekte wie Sterne, Planeten, Monde, unsere Körper und die Katze von nebenan bestehen.
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Auch wenn unsere Teleskope die dunkle Materie nicht direkt erkennen können, beeinflusst sie Sterne, Galaxien und sogar das Licht durch ihre Wechselwirkung mit der Schwerkraft. Die Astronomen können also sagen, dass etwas da ist – sie wissen nur nicht, was es ist. Zu wissen, wonach man suchen muss und wo genau man suchen muss, ist eine andere Sache.
„Wir sind sehr zuversichtlich, dass da etwas ist, aber es gibt viele, viele Formen, die es annehmen könnte“, sagte Miller.
Diese Verwirrung hat die Wissenschaftler auf die Suche nach verschiedenen Teilchen mit seltsamen Eigenschaften geschickt, aus denen die dunkle Materie bestehen könnte. Ein solcher Kandidat ist das Axion, ein hypothetisches Teilchen mit einer extrem kleinen Masse. Sollte es Axionen geben, könnten sie mit einem so genannten dunklen Photon interagieren, so wie gewöhnliche Materie mit „normalen“ Photonen interagiert. Diese Wechselwirkung könnte unter bestimmten Umständen zur Entstehung eines sichtbaren Photons führen.
Die Komponenten des BREAD-Experiments für dunkle Materie (Bildnachweis: BREAD Collaboration)
BREAD ist eine koaxiale Parabolantenne in Form eines gebogenen Metallrohrs, das auf eine Tischplatte passt. Das Experiment ist so konzipiert, dass es Photonen auffängt und sie zu einem Sensor an einem Ende leitet, um nach einer Teilmenge möglicher Axionen zu suchen.
Beim BREAD-Experiment in vollem Umfang wird das Gerät in einem starken Magnetfeld platziert, was nach Angaben des Teams die Wahrscheinlichkeit der Umwandlung von Axonen in Photonen erhöhen wird. Zum Beweis des Prinzips führte das Team ein BREAD-Experiment ohne die Magneten durch, die zur Erzeugung dieses Feldes benötigt werden.
Das Proto-BREAD-Experiment lief einen Monat lang an der Universität von Chicago und lieferte einige interessante Daten, die dem Team Appetit auf das Experiment im großen Maßstab machten. Die Testergebnisse zeigten, dass BREAD in dem Frequenzbereich, für den das Team es entwickelt hatte, sehr empfindlich war.
„Dies ist nur der erste Schritt in einer Reihe von aufregenden Experimenten, die wir planen“, sagte der Co-Leiter von BREAD und Fermilab-Forscher Andrew Sonnenschein. „Wir haben viele Ideen, wie wir die Empfindlichkeit unserer Axion-Suche verbessern können.“
Der Test zeigte auch, dass Teilchenphysik sowohl auf einer Tischplatte als auch in riesigen Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) möglich ist, der sich über 27 Kilometer tief unter der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz erstreckt.
„Dieses Ergebnis ist ein Meilenstein für unser Konzept und zeigt zum ersten Mal die Leistungsfähigkeit unseres Ansatzes“, sagte Stefan Knirck, der Postdoktorand am Fermilab, der die Entwicklung und den Bau von BREAD geleitet hat. „Es ist großartig, diese Art von kreativer Tabletop-Wissenschaft zu betreiben, bei der ein kleines Team alles vom Aufbau des Experiments bis zur Datenanalyse erledigen kann und trotzdem einen großen Einfluss auf die moderne Teilchenphysik hat.“
In der nächsten Phase des BREAD-Experiments wird das Gerät in die Magnetanlage des Argonne National Laboratory transportiert. Darüber hinaus arbeiten Einrichtungen wie das SLAC National Accelerator Laboratory, das MIT, das Caltech und das Jet Propulsion Laboratory der NASA gemeinsam mit der University of Chicago und dem Fermilab an der Forschung und Entwicklung für künftige Rezepte des BREAD-Experiments.
„Es gibt noch so viele offene Fragen in der Wissenschaft und einen enormen Raum für kreative neue Ideen, um diese Fragen anzugehen“, so Miller abschließend. „Ich denke, dies ist ein echtes Paradebeispiel für diese Art von kreativen Ideen – in diesem Fall für wirkungsvolle, kollaborative Partnerschaften zwischen der Wissenschaft in kleinerem Maßstab an Universitäten und der Wissenschaft in größerem Maßstab an nationalen Labors.“
Die Forschungsergebnisse des Teams werden in einem Artikel beschrieben, der Ende letzten Monats in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde.
