Die neue Jagd nach dunkler Materie

Es gibt zwei Arten von Dunkelheit auf dieser Welt. Jodi Cooley kennt sie beide.

Die erste Art erleben wir, wann immer wir unsere Augen schließen. Es ist die Dunkelheit, die Dr. Cooley und ihre Kollegen umgibt, während sie in das Herz einer aktiven Mine hinabsteigen, um SNOLAB zu erreichen, eine unterirdische Forschungseinrichtung, die zwei Kilometer unter der Erdoberfläche liegt.

Dann gibt es noch die mysteriösere Art – eine Dunkelheit, die sich nicht durch die Abwesenheit von Licht auszeichnet, sondern durch ihre völlige Loslösung von der materiellen Welt, wie wir sie kennen. Das ist die Dunkelheit der Dunklen Materie. Es handelt sich um eine unbekannte Substanz, die sich bisher nur durch ihren gravitativen Einfluss auf entfernte Galaxien offenbart hat. In Kombination mit anderen astronomischen Effekten konnten Wissenschaftler schätzen, dass dunkle Materie 85 Prozent der gesamten Masse im Universum ausmacht. Wenn das wahr ist, muss es neben uns existieren und vermutlich wie ein geisterhafter Wind durch unseren Körper strömen, der niemals zu spüren ist.

Und SNOLAB ist möglicherweise der beste Ort der Welt, um es zu finden.

Jodi Cooley, eine Teilchenphysikerin, die 2022 Geschäftsführerin von SNOLAB wurde, überwacht eine der arbeitsreichsten Phasen in der 25-jährigen Geschichte des Labors.

„Der Vorteil, den wir gegenüber den meisten anderen Laboren haben, ist die Tiefe“, sagte Dr. Cooley, ein amerikanischer Teilchenphysiker, der letztes Jahr die Leitung von SNOLAB übernommen hat.

Die gewaltige Gesteinsschicht ist der Schlüssel zum wachsenden Ruf von SNOLAB als weltweit führendes Untergrundlabor, denn es kann die kosmische Strahlung blockieren, die kontinuierlich die Erdoberfläche bombardiert. In einem herkömmlichen Labor würden diese jeden Detektor, der für die Suche nach etwas so Seltenem und Subtilem wie dem Rascheln eines Teilchens dunkler Materie gebaut ist, leicht überfordern.

In Kombination mit dem fachkundigen Supportpersonal, das das Labor leitet, und einer vom Bergbauunternehmen Vale, Ltd. überwachten Infrastruktur bietet der Standort eine seltene Gelegenheit, die Natur des Universums auf eine Weise zu erforschen, die selbst das leistungsstärkste umlaufende Weltraumteleskop nicht kann.

Dabei handelt es sich nicht um die Physik, wie sie in Christopher Nolans Film Oppenheimer dargestellt wird, in dem Wissenschaftler um die Erkenntnis kämpfen, dass es sich, wie sie wissen, um eine neue Energieform oder eine Waffe von beispielloser Kraft handeln wird. Bei der Suche nach Dunkler Materie geht es um etwas Grundlegenderes. Es zu finden würde bedeuten, die Tür zu einem tieferen Verständnis der Gesetze zu öffnen, die unserer Existenz zugrunde liegen und die die Entwicklung des Kosmos prägen. Wohin dieses Wissen in einem Jahrhundert führen könnte, ist unvorstellbar. Kurzfristig würde es jedoch mit ziemlicher Sicherheit zu einem Nobelpreis führen.

„Wenn wir einen positiven Befund hätten – wenn wir die Ersten wären – wäre der Preis meiner Meinung nach unterwegs“, sagte Dr. Cooley.

Es ist keine leere Prahlerei. In den frühen 2000er Jahren, als das Labor noch als Sudbury Neutrino Observatory bekannt war, führten Wissenschaftler hier bahnbrechende Messungen durch, die später mit einem Nobelpreis ausgezeichnet wurden. Damals bestand ihre Beute aus solaren Neutrinos, flüchtigen subatomaren Teilchen, die im Kern der Sonne entstehen und Minuten später die Erde erreichen und durch festes Gestein schlüpfen und einen unterirdischen Detektor anpingen können.

Der wichtigste Beitrag des Labors bestand darin, zu beweisen, dass Neutrinos eine geringe Masse haben und chamäleonartig von einer Art zur anderen wechseln können. Dies ist von entscheidender Bedeutung für den größeren Rahmen des Standardmodells der Teilchenphysik – der Theorie, die das Verhalten von Quarks, Elektronen, Neutrinos und allen anderen Bausteinen der materiellen Welt, die Wissenschaftler entdeckt haben, sowie die Kräfte, die ihre Wechselwirkungen bestimmen, vorhersagt .

Aber das Standardmodell hat keinen Platz für Dunkle Materie, von der die meisten Physiker vermuten, dass sie eine ganz andere Kategorie von Teilchen ist, oder von Teilchen, die kaum oder gar nicht in der Lage sind, mit irgendetwas anderem außer durch die Schwerkraft zu interagieren. Vorausgesetzt, sie können überhaupt entdeckt werden, ist das Auffinden äußerst schwierig.

Das Standardmodell der Teilchenphysik

Alle Teilchen, die entdeckt wurden

von Physikern bisher, sowie die Kräfte, die das

zwischen ihnen bestehen, vorhergesagt und berücksichtigt werden.

vom Standardmodell unterstützt – einschließlich der

Higgs-Boson, 2012 entdeckt. Es gibt kein

Platz im Modell für ein Teilchen der Dunklen Materie.

Die Entdeckung eines solchen Teilchens würde das öffnen

Tür zu neuen Gesetzen der Physik und einem tieferen

Theorie der Materie.

Generationen der Materie

Quarks

Leptonen

hoch

Charme

Spitze

runter

seltsam

unten

Elektron

Myon

Ja

Elektron

Neutrino

Myon

Neutrino

Ja

Neutrino

Up- und Down-Quarks bilden Protonen und Neutronen. Zusammen bilden Protonen, Neutronen und Elektronen die Atome, die fast die gesamte Materie ausmachen, die wir im Alltag erleben.

KRAFTTRÄGER

Eichbosonen

Skalare Bosonen

C

G

H

Photon

Kleber

Higgs

w

z

?

W-Boson

Z-Boson

dunkel

Gegenstand

MURAT YUKSELIR / DER GLOBUS UND DIE POST

Das Standardmodell der Teilchenphysik

Alle von der Physik entdeckten Teilchen

bisherige Kisten sowie die Kräfte, die dazwischen existieren

sie werden vom Standard vorhergesagt und berücksichtigt

Modell – einschließlich des 2012 entdeckten Higgs-Bosons.

Für ein Dunkle-Materie-Teilchen ist im Modell kein Platz.

Die Entdeckung eines solchen Teilchens würde die Tür öffnen

neue Gesetze der Physik und eine tiefere Theorie der Materie.

Generationen der Materie

Quarks

Leptonen

u

hoch

Charme

Spitze

runter

seltsam

unten

Elektron

Myon

Ja

Elektron

Neutrino

Myon

Neutrino

Ja

Neutrino

Up- und Down-Quarks bilden Protonen und Neutronen. Zusammen bilden Protonen, Neutronen und Elektronen die Atome, die fast die gesamte Materie ausmachen, die wir im Alltag erleben.

KRAFTTRÄGER

Eichbosonen

Skalare Bosonen

C

G

H

Photon

Kleber

Higgs

w

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?

W-Boson

Z-Boson

dunkel

Gegenstand

MURAT YUKSELIR / DER GLOBUS UND DIE POST

Das Standardmodell der Teilchenphysik

Alle bisher von Physikern entdeckten Teilchen und die dazwischen wirkenden Kräfte

Sie werden vom Standardmodell vorhergesagt und erklärt – einschließlich des Higgs-Bosons, das in entdeckt wurde

2012. Für ein Teilchen der Dunklen Materie ist im Modell kein Platz. Die Entdeckung eines solchen Teilchens würde

Öffnen Sie die Tür zu neuen Gesetzen der Physik und einer tieferen Theorie der Materie.

Generationen der Materie

KRAFTTRÄGER

hoch

Charme

Spitze

Kleber

Higgs

Quarks

Leptonen

Eichbosonen

runter

seltsam

unten

Photon

Skalare Bosonen

Elektron

Myon

Ja

Z-Boson

?

Elektron

Neutrino

Myon

Neutrino

Ja

Neutrino

W-Boson

dunkel

Gegenstand

Up- und Down-Quarks bilden Protonen und Neutronen. Zusammen bilden Protonen, Neutronen und Elektronen die Atome, die fast die gesamte Materie ausmachen, die wir im Alltag erleben.

MURAT YUKSELIR / DER GLOBUS UND DIE POST

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler, die in Untergrundlaboren auf der ganzen Welt arbeiten, darunter SNOLAB, verschiedene Methoden zum Nachweis dunkler Materie getestet. Doch da Möglichkeiten, die einst als die vielversprechendsten galten, zu negativen Ergebnissen führten, mussten die Forscher ihren Plan erweitern.

„Der aktuelle Stand der Suche ist wirklich interessant“, sagte Daniel Baxter, ein assoziierter Wissenschaftler am Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia, Illinois, der an zwei separaten Experimenten zur Dunklen Materie am SNOLAB teilgenommen hat. „Bei der Perspektive geht es viel mehr darum, so viele Ideen und Techniken wie möglich zu berücksichtigen.“

Jetzt beginnt SNOLAB ein neues Kapitel in der Suche nach dunkler Materie mit der Montage des Super Cryogenic Dark Matter Search, dessen Teile seit Mai im Untergrundlabor eintreffen. SuperCDMS wurde an der Stanford University gebaut und wird vom US-Energieministerium, der National Science Foundation und der Canada Foundation for Innovation finanziert. Beteiligt sind auch Forscher aus Europa und Indien. Mit einem Preis von 42 Millionen US-Dollar ist es mit Abstand das ehrgeizigste Unterfangen von SNOLAB seit den Anfangsjahren und der Beginn einer neuen Phase in der globalen Suche nach Dunkler Materie.

„Das ist wirklich wichtig für das Labor“, sagte Dr. Cooley. „Für diese SNOLAB-Generation ist das eine große Wette.“

Um zur SNOLAB-Anlage zu gelangen, muss man zwei Kilometer unter der Erde zurücklegen und anschließend fast die gleiche Strecke durch den Minenkomplex laufen. Vor dem Betreten müssen Besucher ihre Stiefel waschen, duschen und saubere Kleidung anziehen, um das Risiko zu verringern, dass Staub in das ultraklare unterirdische Labor gelangt.

SNOLAB ist gewachsen, seit es in den 1990er Jahren erstmals in einer ausgehöhlten Felskammer errichtet wurde. Aber ein Ausflug ins Labor hat immer noch das Gefühl einer mythischen Reise in die Unterwelt.

Wissenschaftler und Gäste ziehen zunächst die für die Mine geeignete Ausrüstung an, darunter Sicherheitsstiefel, Overalls und Stirnlampen, und drängen sich dann in den „Käfig“ – einen großen, offenen Aufzug –, der sie schnell um eine vertikale Distanz, die dem entspricht, in einen Schacht absenkt Höhe von vier CN-Türmen.

Mit dem Abstieg steigt der Luftdruck merklich an. Wenn der Käfig die Höhe von SNOLAB erreicht, steigen diejenigen, die zum Labor gehen, aus und wandern eine Strecke durch die Tunnel der Mine, die fast der Tiefe des Labors entspricht. Unterwegs sorgt ein leistungsstarkes Belüftungssystem für eine gute Luftbewegung und verhindert, dass sie sich auf die 42-Grad-Temperatur der umliegenden Felsen erwärmt.

Während das Labor gut vor kosmischer Strahlung geschützt ist, stellt all der Gesteinsstaub, durch den Wissenschaftler und Besucher auf ihrem Weg zum Labor knirschen, eine besondere Herausforderung dar. Jeder verirrte Fleck kann eine Spur natürlicher Radioaktivität in sich tragen, die für den Menschen harmlos ist, aber ein Experiment mit empfindlichen Teilchen stören kann. Um eine solche Kontamination auf ein Minimum zu beschränken, müssen diejenigen, die das Labor betreten, zunächst ihre Minenausrüstung und Kleidung ablegen, dann duschen, ihre Haare waschen und saubere Kleidung anziehen, die das Labor zur Verfügung stellt. Dann sind sie bereit, SNOLAB zu betreten, wo die Luft sauberer ist als in einem Operationssaal eines Krankenhauses.

Ein tiefer Tauchgang zur Dunklen Materie

Mehrere Suchen nach Teilchen der Dunklen Materie haben stattgefunden

wurden bei SNOLAB, einer kanadischen Einrichtung, durchgeführt

befindet sich in einer Mine in der Nähe von Sudbury, Ontario, wo die

darüberliegender Fels schirmt empfindliche Detektoren ab

kosmische Strahlung. Das neueste Experiment namens

SuperCDMS besteht aus 24 ultrakalten Sensoren

Packungen, die in vier „Türmen“ angeordnet sind. Die Erfahrung

ment sitzt auf einer speziell entwickelten Plattform, die

reduziert Vibrationen und ist zusätzlich geschützt durch

Materialschichten, die Partikel blockieren können

gewöhnliche Materie, die durch natürliche Radioaktivität entsteht

ty in der Umgebung. Theoretisch eine vorübergehende Dunkelheit

Materieteilchen können die Abschirmung durchdringen

interagieren gelegentlich mit einem Atom im Detektor.

tor, der vorübergehend seine elektrischen Eigenschaften ändert

Krawatten.

Ontario

Sudbury

Route 144

Snolab

Städtische Straße 55

Transkanada

Autobahn

3 km

SuperCDMS-EXPERIMENT

Abschirmung

Snobox

Detektor

Türme

Seismisch

Plattform

DETEKTORTURM

50 cm

35 mm

DETEKTOR

Kupfer

Gehäuse

Supraleitend

Sensor

MURAT YÜKSELIR / THE GLOBE AND MAIL, QUELLE: SNOLAB; SLAC NATIONAL

BESCHLEUNIGERLABOR; OPENSTREETMAP

Ein tiefer Tauchgang zur Dunklen Materie

Es wurden mehrere Suchen nach Teilchen der Dunklen Materie durchgeführt

durchgeführt bei SNOLAB, einer kanadischen Einrichtung in a

Mine in der Nähe von Sudbury, Ontario, wo der darüberliegende Felsen liegt

schirmt empfindliche Detektoren vor kosmischer Strahlung ab. Das Neueste

Das SuperCDMS genannte Experiment besteht aus 24 ultrakalten

Sensorpakete in vier „Türmen“ angeordnet. Die Erfahrung

ment sitzt auf einer speziell entwickelten Plattform, die reduziert

Vibrationen und ist zusätzlich durch Materialschichten geschützt.

auch, die erzeugte Teilchen gewöhnlicher Materie blockieren können

durch natürliche Radioaktivität in der Umgebung. Theoretisch ist a

Durchdringende Dunkle-Materie-Teilchen können die Abschirmung durchdringen

gelegentlich mit einem Atom im Detektor interagieren,

seine elektrischen Eigenschaften vorübergehend ändern.

Ontario

Sudbury

Route 144

Snolab

Städtische Straße 55

Transkanada

Autobahn

3 km

SuperCDMS-EXPERIMENT

Abschirmung

Snobox

Detektor

Türme

Seismisch

Plattform

DETEKTORTURM

50 cm

35 mm

DETEKTOR

Kupfer

Gehäuse

Supraleitend

Sensor

MURAT YÜKSELIR / THE GLOBE AND MAIL, QUELLE: SNOLAB; NATIONALES BESCHLEUNIGUNGSLABOR SLAC;

OPENSTREETMAP

Ein tiefer Tauchgang zur Dunklen Materie

Bei SNOLAB, einer kanadischen Einrichtung in einem, wurden mehrere Suchen nach Teilchen der Dunklen Materie durchgeführt

Mine in der Nähe von Sudbury, Ontario, wo der darüber liegende Felsen empfindliche Detektoren vor kosmischer Strahlung schützt. Das Neueste

Das SuperCDMS genannte Experiment besteht aus 24 ultrakalten Sensorpaketen, die in vier „Türmen“ angeordnet sind. Die Erfahrung

Das Gerät sitzt auf einer speziell entwickelten Plattform, die Vibrationen reduziert, und ist außerdem durch Schichten aus Material geschützt.

Stoffe, die Partikel gewöhnlicher Materie blockieren können, die durch natürliche Radioaktivität in der Umgebung entstehen. In

Theoretisch kann ein vorbeiziehendes Dunkle-Materie-Teilchen die Abschirmung durchdringen und gelegentlich mit einem darin befindlichen Atom interagieren

den Detektor und verändert kurzzeitig seine elektrischen Eigenschaften.

Ontario

Sudbury

Route 144

Snolab

Städtische Straße 55

Transkanada

Autobahn

3 km

SuperCDMS-EXPERIMENT

Abschirmung

Snobox

Detektor

Türme

Seismische Plattform

DETEKTORTURM

DETEKTOR

Kupfer

Gehäuse

Supraleitend

Sensor

35 mm

50 cm

MURAT YÜKSELIR / THE GLOBE AND MAIL, QUELLE: SNOLAB; NATIONALES BESCHLEUNIGUNGSLABOR SLAC;

OPENSTREETMAP

Die Anlage verfügt über 5.000 Quadratmeter Reinraumfläche, die in einer Reihe von Kavernen angeordnet ist, von denen die meisten breit genug wären, um einen Kleintransporter hindurchzufahren, wenn sie halb so groß wären. Aber mit Ausrüstung vollgepackte Korridore sind ein Beweis dafür, dass SNOLAB noch nie so beschäftigt war, insbesondere nach der Pandemie, als der Zugang stark eingeschränkt war und viele Projekte verzögert wurden.

Obwohl es sich in den letzten 20 Jahren diversifiziert hat, bleibt das Labor ein wichtiges Zentrum für Neutrinophysik. Sein größter Detektor namens SNO+ enthält 7.000 Tonnen Wasser um eine riesige Acrylkugel mit 780 Tonnen flüssigem Szintillator, einer Flüssigkeit, die immer dann Licht aussendet, wenn ein vorbeiziehendes Neutrino eine Reaktion auslöst. Wenn ein Stern irgendwo in der Milchstraße zur Supernova wird, hat SNO+ die von ihm emittierten Neutrinos bereits aufgenommen, noch bevor die Explosion für Astronomen sichtbar ist.

Mittlerweile geht es bei insgesamt 11 der 21 aktiven oder geplanten Experimente am Standort in irgendeiner Weise um die Suche nach Dunkler Materie. Ohne zu wissen, was Dunkle Materie ist, können Wissenschaftler bisher nur aufgrund der Teilchenmasse und der Wechselwirkungswahrscheinlichkeit ausschließen, was sie nicht ist. Jedes Experiment, das leer ausgeht, weist die Jagd in eine andere Richtung. Die Aufregung der Verfolgungsjagd lasse nie nach, sagte Dr. Cooley, „wir freuen uns einfach über verschiedene Dinge.“

Der erste Hinweis auf die Existenz dunkler Materie wurde weit entfernt von SNOLAB am Mount Wilson Observatory in der Nähe von Los Angeles entdeckt. Dort bemerkte der schweizerisch-amerikanische Astronom Fritz Zwicky Anfang der 1930er Jahre erstmals, dass etwas mit einem riesigen Galaxienhaufen im Sternbild Coma Berenices, mehr als 300 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt, nicht stimmte.

Wie Bienen in einem Schwarm bewegen sich die Galaxien im Haufen umeinander und sind durch ihre gegenseitige Anziehungskraft miteinander verbunden. Aber Zwicky erkannte, dass sich die Galaxien aufgrund der Gesamtmasse, die sie enthielten, und der dadurch erzeugten Schwerkraft schnell genug bewegten, um auseinanderzufliegen. Um die Diskrepanz zu erklären, vermutete Zwicky, dass der Galaxienhaufen viel mehr Masse enthalten müsse, als allein aus den Galaxien ersichtlich sei.

In den 1970er Jahren hatte sich das merkwürdige Ergebnis zu einem großen Rätsel entwickelt. Als Vera Rubin, eine Astronomin am Carnegie Institution of Washington, sorgfältige Messungen der Rotationen Dutzender Spiralgalaxien durchführte, stellte sie fest, dass sich die Galaxien so verhielten, als wären sie mindestens fünfmal massereicher, als sie schienen.

Um die fehlende Masse auszugleichen, wurden verschiedene Kandidaten vorgeschlagen. Nichts im Standardmodell der Materie erfüllt diese Anforderungen, auch weil normale Materie dazu neigt, sich zu verklumpen und Energie in Form von sichtbarem Licht, Infrarot- oder Radiowellen auszusenden. Selbst wenn dunkle Materie ausschließlich aus Schwarzen Löchern bestünde – einem Objekt, das so dicht ist, dass nicht einmal Licht seiner Anziehungskraft entkommen kann – würde das interstellare Gas, das sich um sie herum sammelt, ihre Anwesenheit verraten.

„Dunkle Materie verhält sich auf eine Art und Weise wie nichts im Standardmodell“, sagte Katie Mack, Astrophysikerin am Perimeter Institute for Theoretical Astrophysics in Waterloo, Ontario, die die Rolle der Dunklen Materie im frühen Universum untersucht. „Was übrig bleibt, ist ein wirklich breites Spektrum an Möglichkeiten und die Notwendigkeit, kreative Wege zu finden, um zwischen ihnen zu unterscheiden.“

Wenn dunkle Materie ein unentdecktes Teilchen ist, muss sie immun gegen Elektromagnetismus sein, die Kraft, die Teilchen regulärer Materie zu Atomen und Molekülen bindet und ihnen ermöglicht, Energie in Form von Licht freizusetzen. Es ist diese Immunität, die es Partikeln dunkler Materie ermöglicht, durch normale Materie zu fliegen, wie Sandkörner, die durch einen Maschendrahtzaun wehen.

Andererseits muss dunkle Materie die Schwerkraft spüren, weil sie Masse trägt – und zwar eine Menge davon – mit Auswirkungen, die auf kosmischer Ebene sichtbar sind. Den Forschern von SNOLAB nützt das allerdings nichts, denn die Anziehungskraft eines einzelnen Teilchens ist zu gering, um sie in einem Laborexperiment nachzuweisen.

In der Hoffnung, dunkle Materie direkter zu erfassen, setzen Physiker stattdessen darauf, dass sie von einer anderen Kraft beeinflusst wird – der sogenannten schwachen Kraft. Die schwache Kraft wirkt nur auf extrem kurze Distanz. Um seine Wirkung zu spüren, müssen zwei Teilchen weniger als ein Milliardstel eines Milliardstel Meters voneinander entfernt sein. Die Herausforderung besteht darin, dass diese Interaktionen so selten sind, dass man sich leichter vorstellen kann, dass zwei Golfer an gegenüberliegenden Enden einer Driving Range gleichzeitig Schläge ausführen, die in der Luft kollidieren. Um ihre Chancen zu verbessern, müssen Wissenschaftler ihre Detektoren so groß und empfindlich wie möglich machen.

SuperCDMS ist nicht das größte jemals durchgeführte Experiment zur Dunklen Materie, aber es ist das empfindlichste in einem Bereich, der bisher kaum erforscht wurde. Aufgrund theoretischer Vorhersagen und auch der praktischen Tatsache, dass schwerere Teilchen tendenziell leichter zu finden sind, konzentrieren sich die meisten Suchen nach dunkler Materie auf Teilchen, die hunderte bis tausende Male schwerer als ein Proton sind (ein praktischer Vergleichspunkt in der Teilchenphysik). . Im Gegensatz dazu eignet sich SuperCDMS am besten zum Auffinden von Teilchen der Dunklen Materie, die in der Größenordnung der ein- bis zehnfachen Masse eines Protons liegen. Wenn dunkle Materie aus solchen Teilchen besteht, müssten laut Berechnungen in jedem Moment Hunderte von ihnen das Experiment durchlaufen. Die entscheidende unbeantwortete Frage ist, wie wahrscheinlich es ist, dass sie mit dem Detektor interagieren.

Das Herzstück von SuperCDMS sind 24 handtellergroße Scheiben aus Silizium und Germanium, die auf eine Temperatur von maximal drei Hundertstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Zu diesem Zeitpunkt sind die vibrierenden Atome, die in jeder Metallscheibe ein Gitter bilden, nahezu bewegungslos. Wenn in einem solchen Zustand nur ein Atomkern von einem Teilchen dunkler Materie getroffen wird, sollte sich der Rückstoß durch das Gitter ausbreiten und den Stromfluss in einem supraleitenden Material unterbrechen, das auf die Oberfläche der Scheibe geätzt ist. Auf diese Weise wird das Teilchen der Dunklen Materie, wie eine kleine Fliege, die das Gleichgewicht kippt, seine Anwesenheit kundtun.

„Eines der Dinge, auf die wir wirklich stolz sind, ist unsere niedrige Energieschwelle“, sagte Andy Kubik, ein Experimentalphysiker, der an der Erprobung und Montage von SuperCDMS bei SNOLAB arbeitet. „Experimente mit dunkler Materie sind so weit fortgeschritten und wir haben so viel Raum ausgeschlossen, dass wir wirklich so empfindlich werden müssen, um neues Terrain zu erkunden.“

SuperCDMS begann seine Reise zu SNOLAB im Mai, als die Hälfte der Metallscheiben, aus denen das gesamte Experiment besteht, sorgfältig in einen Lastwagen gepackt und von Stanford in Kalifornien nach Sudbury gefahren wurde. Anstelle der direktesten Route nahm der Lkw eine längere, südlichere Fahrt in Kauf, um die Hochgebirgspässe zu umgehen, wo die Hardware des Experiments einer größeren Anzahl kosmischer Strahlung ausgesetzt sein könnte und die Gefahr einer leichten Verschlechterung der Leistung besteht.

Die Scheiben kamen vormontiert in zwei „Türmen“ an – halbmeterhohe Strukturen, die im Zentrum des Arbeitsexperiments stehen werden. Zwei verbleibende Türme sollen noch im Herbst in Sudbury eintreffen.

Zwei Detektortürme, die eine Hälfte von SuperCDMS ausmachen, kamen im Mai bei SNOLAB an und stehen für Tests und Installation im Experiment bereit. Die beiden verbleibenden Türme werden im Herbst erwartet.

Im Betrieb werden die Türme gekühlt und hinter Schichten aus Blei, Kupfer, Polyethylen und Wasser abgeschirmt. Das gesamte Gerät ruht außerdem auf einer speziell entwickelten Plattform, die es von Vibrationen im Labor isoliert. Es geht darum, mögliche Hintergrundgeräuschquellen zu reduzieren, die ein Signal überdecken könnten. Wenn in dem Bereich, für den das Experiment gebaut ist, dunkle Materie vorhanden ist, könnte es mehrere Entdeckungen pro Jahr verzeichnen.

Der Trick besteht darin, diese Entdeckungen zu erkennen, damit die Teammitglieder sich selbst und andere davon überzeugen können, dass sie etwas Echtes gefunden haben.

Miriam Diamond, ein Teammitglied und Physiker an der University of Toronto, die sich auf die Analyse vorbereitet hat, sagte, dass die Signale, die sie und ihre Kollegin aus dem Experiment interpretieren, elektronischer Natur sein werden, aber im Konzept Miniaturerdbeben ähneln, die die Erde bewegen Nadel auf einem Seismographen.

„Wir haben eine Vorlage, die uns im Grunde sagt, welche Form unser Signalereignis haben würde“, sagte Dr. Diamond. Aber das Erscheinen eines solchen Signals allein wird nicht ausreichen, um zu zeigen, dass dunkle Materie existiert. Vielmehr wird eine statistische Häufung solcher Ereignisse der Schlüssel zu einem positiven Ergebnis sein.

Bis zum vollständigen SuperCDMS-Test dauert es noch ein Jahr bis 18 Monate, aber da die Türme während der Installation gekühlt und getestet werden, besteht die Möglichkeit, dass sie bereits im Herbst etwas Interessantes entdecken. Während sich das Experiment seinem Abschluss nähert, ähnelt die Atmosphäre um es herum der Vorbereitung einer großen Broadway-Produktion, sagte Dr. Diamond – ein Aufbau von Spannung und Aufregung, bevor sich der Vorhang hebt.

Jagdrevier

Die laufende Suche nach dunkler Materie hat

Einige Möglichkeiten wurden bereits ausgeschlossen

auf der Masse der potentiellen Dunklen Materie

Teilchen und wie nah es sein müsste

nähern Sie sich einem Teilchen gewöhnlicher Materie für

eine Interaktion, die innerhalb einer Erkennung stattfindet

tor. Das SuperCDMS-Experiment treibt voran

in Neuland am leichteren Ende von

was bereits gesucht wurde. Als die

Die Empfindlichkeit der Detektoren verbessert sich

Die Suche könnte schließlich auf das „Neutrino“ stoßen

Nebel“ – die Grenze, bei der Interaktionen stattfinden

zwischen einem Detektor und vorbeiziehenden Neutrinos

wird die Auswirkungen der Dunklen Materie maskieren.

Vertikale Achse: Größe der Wechselwirkungsfläche mit gewöhnlicher Materie (cm im Quadrat)

Horizontale Achse: Masse des Dunkle-Materie-Teilchens (relativ zur Masse eines Protons)

-42

10

Bereich zu sein

erkundet von

SuperCDMS

Bereits entschieden

aus dem vorherigen

Experimente

-44

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Grenze von

aktuell

sucht

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Neutrinonebel

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die Masse

eines Protons

Gleich dem

Masse von a

Proton

100.000x

die Masse von

ein Proton

MURAT YÜKSELIR / THE GLOBE AND MAIL, QUELLE: SUPERCDMS COLLABORATION

Jagdrevier

Die laufende Suche nach Dunkler Materie hat bereits stattgefunden

Einige Möglichkeiten wurden aufgrund der Masse ausgeschlossen

das potenzielle Teilchen der Dunklen Materie und wie nah es ist

müsste sich einem gewöhnlichen Teilchen nähern

Materie, damit eine Interaktion innerhalb eines stattfinden kann

Detektor. Das SuperCDMS-Experiment treibt voran

in Neuland am leichteren Ende dessen, was bisher war

bereits durchsucht worden. Da die Empfindlichkeit der Erkennung

verbessert sich die Suche möglicherweise irgendwann

„Neutrinonebel“ – die Grenze, an der Wechselwirkungen auftreten

zwischen einem Detektor und vorbeiziehenden Neutrinos

maskieren die Auswirkungen der Dunklen Materie.

Vertikale Achse: Größe der Wechselwirkungsfläche mit gewöhnlicher Materie (cm im Quadrat)

Horizontale Achse: Masse des Teilchens der Dunklen Materie

(relativ zur Masse eines Protons)

-42

10

Bereich zu sein

erkundet von

SuperCDMS

Bereits entschieden

aus dem vorherigen

Experimente

-44

10

-46

10

Grenze von

aktuell

sucht

-48

10

Neutrinonebel

-50

10

1/10

10x

100x

1.000x

10.000x

1/100

die Masse

eines Protons

Gleich dem

Masse von a

Proton

100.000x

die Masse von

ein Proton

Jagdrevier

Die laufende Suche nach Dunkler Materie hat aufgrund der Masse der Dunklen Materie bereits einige Möglichkeiten ausgeschlossen

potenzielle Dunkle-Materie-Teilchen und wie nahe es einem Teilchen gewöhnlicher Materie kommen müsste

eine Interaktion, die innerhalb eines Detektors stattfindet. Das SuperCDMS-Experiment betritt Neuland

das hellere Ende dessen, was bereits gesucht wurde. Da sich die Empfindlichkeit der Detektoren verbessert, wird die Suche

könnte schließlich den „Neutrinonebel“ erreichen – die Grenze, an der Wechselwirkungen zwischen einem Detektor und vorbeiziehenden Objekten auftreten

Neutrinos werden die Auswirkungen der Dunklen Materie maskieren.

Vertikale Achse: Größe der Wechselwirkungsfläche mit gewöhnlicher Materie (cm im Quadrat)

Horizontale Achse: Masse des Dunkle-Materie-Teilchens (relativ zur Masse eines Protons)

-42

10

Zu erkundendes Gebiet

von SuperCDMS

Bereits ausgeschlossen von

frühere Experimente

-44

10

-46

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Strombegrenzung

sucht

Neutrinonebel

-48

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die Masse

eines Protons

1/10

Gleich dem

Masse von a

Proton

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die Masse von

ein Proton

MURAT YÜKSELIR / THE GLOBE AND MAIL, QUELLE: SUPERCDMS COLLABORATION

Diejenigen, die an dem Experiment beteiligt sind, wissen auch, dass es möglicherweise überhaupt nichts findet. Teilchen der Dunklen Materie sind möglicherweise einfach zu leicht, als dass SuperCDMS sie erkennen könnte, oder spüren die schwache Kraft entgegen den Erwartungen möglicherweise nicht. Es besteht auch die von einigen Forschern angesprochene Möglichkeit, dass dunkle Materie nicht existiert und dass die anomalen Bewegungen von Galaxien stattdessen Anlass sein könnten, die aktuelle Theorie der Schwerkraft zu modifizieren.

Doch jedes Mal, wenn ein neuer Detektor eingeschaltet wird, besteht auch die Chance, dass sich ein vorbeiziehendes Dunkle-Materie-Teilchen zu erkennen gibt. Und da SuperCDMS jetzt mitten in der Installation ist, hoffen die Wissenschaftler von SNOLAB, dass sie bald einen solchen Moment erleben werden.

Für Dr. Cooley, die in Wisconsin aufgewachsen ist, fühlte sich der Umzug von ihrer vorherigen akademischen Position in Texas in den Norden Ontarios wie eine Art Heimkehr an. Doch im Untergrund geht es darum, in unbekanntes Terrain vorzudringen. Nach einer Karriere, die sie bis zum Südpol führte, um Teilchenphysik-Experimente durchzuführen, ist die Chance, in einer Zeit eines möglichen wissenschaftlichen Durchbruchs bei SNOLAB zu sein, ungeachtet des Ergebnisses, aufregend.

„Wir versuchen, das Wissen zu erweitern“, sagte Dr. Cooley. „Mir geht es aber nicht nur um die Antwort am Ende. Es ist die gesamte Reise.“