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Jul 29, 2023

Die Jagd nach Teilchen der Dunklen Materie und Unsichtbaren?

Unser Universum ist voller Geheimnisse, die darauf warten, gelöst zu werden. Eines der größten Rätsel der modernen Physik ist die Natur der Teilchen und Neutrinos der Dunklen Materie. Trotz der Tatsache, dass sie eine bilden

Unser Universum ist voller Geheimnisse, die darauf warten, gelöst zu werden. Eines der größten Rätsel der modernen Physik ist die Natur der Teilchen und Neutrinos der Dunklen Materie. Obwohl sie einen bedeutenden Teil des Universums ausmachen, wissen wir immer noch wenig über diese schwer fassbaren Teilchen. Doch mit Hilfe bahnbrechender Technologien kommen wir dem Verständnis ihrer Eigenschaften immer näher, sodass wir sie als neues Fenster zum verborgenen Universum nutzen können. Dieses Streben nach Wissen vertieft nicht nur unser Verständnis des Universums, sondern hat auch das Potenzial, unsere Lebensweise zu revolutionieren.

Hier werden wir uns ansehen, wie DarkWave, ein von der Europäischen Kommission finanziertes Projekt (Fördernummer 952480) und von einem Konsortium aus fünf Forschungsinstituten – AstroCeNT/ Nicolaus Copernicus Astronomical Center (ein kürzlich in Polen gegründetes Exzellenzzentrum für Astroteilchenphysik) – umgesetzt wird. , Laboratoire Astroparticule & Cosmologie/CNRS, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare und Gran Sasso Science Institute, Technische Universität München – trägt zu diesem wissenschaftlichen Unterfangen bei.

Im aktuellen Standardmodell der Kosmologie machen Teilchen der Dunklen Materie 27 % des Universums aus und bestimmen, wie sich die beobachteten galaxiengroßen und größeren Strukturen bilden, entwickeln und bewegen. Normale Materie trägt 5 % bei, davon sind Neutrinos 0,3 %. Der Rest ist mit dunkler Energie gefüllt, die die Expansionsrate des Universums beeinflusst.

Im Gegensatz zu gewöhnlicher Materie reagieren Neutrinos und Dunkle Materie nicht auf die elektromagnetische Kraft. Sie sind nicht nur dunkel, sondern völlig transparent – ​​sie absorbieren, reflektieren oder streuen keine Photonen. Dadurch ist es für sie schwierig, überhaupt einen Einfluss auf normale Materie zu haben: Ständig strömen zahlreiche kosmische Neutrinos und Teilchen der Dunklen Materie ohne spürbare Wirkung durch die Erde. Dennoch machen sowohl das Standardmodell der Kosmologie als auch das Standardmodell der Teilchenphysik nur dann Sinn, wenn es ein Teilchen der Dunklen Materie gibt, und die Eigenschaften von Neutrinos und Dunkler Materie sind der Schlüssel zu unserem Verständnis der Entwicklung des Universums. Deshalb bauen wir Detektoren, um sie zu beobachten.

Neutrino-Wechselwirkungen mit Materie induzieren nachweisbare elektrische Ladungen, sind jedoch so selten, dass eine große Anzahl von Zielatomen beobachtet werden muss, um auch nur eine kleine Anzahl von Wechselwirkungen zu erhalten. Bei der Dunklen Materie ist die Situation noch komplizierter: Wir wissen noch nicht, was für ein Teilchen Dunkle Materie überhaupt ist.

Einige Theorien der Teilchenphysik sagen ein schwach wechselwirkendes massives Teilchen (WIMP) voraus, das an Atomkernen streuen und ihnen etwas kinetische Energie verleihen könnte. Für diese plötzliche Freisetzung zusätzlicher kinetischer Energie müssen über Jahre hinweg Tonnen von Zielatomen beobachtet werden. Solche Experimente werden in tief unter der Erde liegenden Laboren durchgeführt, beispielsweise im INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italien, wo DarkSide-20k, der nächstempfindlichste Detektor für dunkle Materie, gebaut wird. Kilometerlanges Gestein werden benötigt, um die natürliche kosmische Strahlung abzuschirmen, die sonst die gesuchten exotischen Signale völlig übertönen würde.

Um diese unsichtbaren Teilchen der dunklen Materie aufzuspüren, müssen die Photonen erfasst werden, die sie indirekt in der Materie induzieren. Eine der besten Möglichkeiten, empfindlich auf WIMP- und Neutrino-Wechselwirkungen zu reagieren, ist die Verwendung eines Szintillators – eines Materials, das Lichtblitze aussendet. Dieses Licht wandert durch das große Detektorvolumen und wird mit um das Zielvolumen herum angeordneten Fotosensoren erfasst. Flüssiges Argon ist ein ausgezeichneter Szintillator, aber die Erfassung seiner Emission ist eine weitere Herausforderung. Die meisten handelsüblichen Sensoren reagieren nicht empfindlich auf das von ihnen emittierte ferne UV-Licht; Es muss mithilfe sogenannter Wellenlängenschiebermaterialien (WLS) in sichtbares Licht umgewandelt werden. Eine der Herausforderungen für die nächste Generation von Detektoren für dunkle Materie und Neutrino ist die Vergrößerung der WLS- und Fotosensortechnologien auf 100 m2 und mehr. Das DarkWave-Projekt befasst sich mit Schlüsselaspekten dieser Herausforderung: Erzeugung, Sammlung und Erkennung von Licht.

Um die erzeugte Lichtmenge zu maximieren, wird speziell gereinigtes flüssiges Argon verwendet. Vor dem Befüllen des DarkSide-20k-Detektors wird Argon in der kürzlich eröffneten Aria-Anlage auf Sardinien raffiniert, wo ein 350 m hoher kryogener Destillationsturm gebaut wird. Jedes einzelne Photon ist wichtig, daher wird eine Kombination aus hocheffizienten WLS- und Reflektormaterialien zur Auskleidung der Detektorwände verwendet. Der Veto-Detektor, der den Haupt-WIMP-Detektor umgibt und natürliche Hintergrundstrahlung unterdrückt, hat eine Fläche von 200 m2. Nach umfangreichen Tests und Prototypen unter der Leitung von AstroCeNT sowie Messungen in flüssigem Argon am Gran Sasso, der Universität Zürich und am CERN wurde ein gängiger Kunststoff, Polyethylennaphthalat (PEN), der normalerweise zur Herstellung von Dingen wie Bierflaschen verwendet wird, als WLS ausgewählt für das Veto. Die Effizienz von PEN ist geringer als die von speziell hergestellten Materialien, wird jedoch durch die geringen Kosten und die vorhandenen großflächigen industriellen Produktionsanlagen wettgemacht.

Dann werden 26m2 Photosensoren benötigt, für die neuartige Silizium-Photomultiplier-Module zum Einsatz kommen. Die DarkSide-20k-Kollaboration hat bei dieser Technologie für flüssiges Argon Pionierarbeit geleistet und 20 cm x 20 cm große Fotodetektoreinheiten (PDU) entwickelt, die herkömmliche große Fotovervielfacherröhren aus Glas ersetzen, eine höhere Effizienz aufweisen und weniger Hintergrund beitragen. Die Teilnahme an der Massenproduktion von PDUs bei LNGS sowie deren kryogene Tests bei AstroCeNT sind Teil unseres Projekts. Ergänzt wird dies durch die Entwicklung fortschrittlicher Simulations- und Analysetools für die PDU-Daten unter der Leitung von APC. Weitere Forschungen für künftig noch empfindlichere Detektoren sind noch im Gange. Neue verbesserte WLS mit möglichen Anwendungen auch in der Photovoltaik werden am AstroCeNT und an der TUM untersucht. Digitale Silizium-Photomultiplier (SiPMs) werden am INFN Torino entwickelt. Sie finden auch Anwendung in der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) zur Diagnose von Krebs, etwa im 3Dπ-Projekt, in dem DarkWave-Mitglieder aktiv sind.

Eine weitere von DarkWave genutzte Synergie ist die Beobachtung von Gravitationswellen in sehr empfindlichen Detektoren wie LIGO und seinem europäischen Gegenstück Virgo. Extrem kleine Schwankungen in der Raumzeit aufgrund des Durchgangs einer Gravitationswelle führen dazu, dass sich eine Entfernung von mehreren Kilometern um weniger als den Durchmesser eines Protons ausdehnt oder zusammenzieht. Solche winzigen Kontraktionen können erkannt werden, solange externe Geräusche und Vibrationen minimiert, überwacht und ordnungsgemäß von den Daten subtrahiert werden. Newtonsches Rauschen, das durch die Bewegung von Massen in der Nähe des Detektors verursacht wird, kann zukünftige Verbesserungen der Empfindlichkeit behindern.

Netzwerke sehr empfindlicher seismischer und Infraschallsensoren, die von AstroCeNT erfolgreich entwickelt und als Prototypen entwickelt wurden, wurden in Virgo installiert und werden nun zur Messung des seismischen und Infraschalllärms sowie zur Schätzung des Newtonschen Rauschens verwendet. Sie werden auch verwendet, um die Kandidatenstandorte für das Einstein-Teleskop – das Observatorium der nächsten Generation – zu charakterisieren. Obwohl sie nicht direkt in Detektoren für dunkle Materie und Neutrino verwendet werden, spielen sie dennoch eine Rolle bei der Überwachung des Hintergrundrauschens und der Detektorleistung. Im Frühjahr 2023 wurde im Gran Sasso-Untergrundlabor ein großer Satz seismischer Sensoren installiert, um den seismischen Lärm am Standort DarkSide-20k zu überwachen.

Beispiellose Empfindlichkeiten bei der Erkennung ultraschwache Signale aus dem verborgenen Universum erfordern umfangreiche Forschung und Entwicklung für die Skalierung von Detektoren und neue disruptive Technologien, die auch der Gesellschaft zugute kommen. Dies gilt insbesondere für die Bereiche Lichtsammlung und -detektion, wo DarkWave erfolgreich die Zusammenarbeit gefördert und mehrere experimentelle Kooperationen überbrückt hat, die sich mit Teilchen der Dunklen Materie, Neutrinos und Gravitationswellen befassen.

Bitte beachten Sie, dass dieser Artikel auch in der vierzehnten Ausgabe unserer vierteljährlichen Publikation erscheinen wird.

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