Jagen Sie in einem Gewölbe in der Neutrino Alley nach dunkler Materie

Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory versuchten, mithilfe der Empfindlichkeit ihrer Neutrino-Detektoren dunkle Materie in einem hell erleuchteten Kellerkorridor zu beobachten. Neutrino Alley, wo das Team arbeitet, befindet sich unterhalb der Spallation Neutron Source, einem leistungsstarken Teilchenbeschleuniger. Nach Jahren theoretischer Berechnungen machte sich das COHERENT-Team daran, dunkle Materie zu beobachten, von der angenommen wird, dass sie bis zu 85 % der Masse des Universums ausmacht. Das Experiment ermöglichte es dem Team, die globale Suche nach Dunkler Materie auf neue Weise auszuweiten, und sie planen, einen größeren, empfindlicheren Detektor zu erhalten, um ihre Chancen zu verbessern, Teilchen der Dunklen Materie einzufangen.

Nur wenige Dinge tragen die gleiche geheimnisvolle Aura wie Dunkle Materie. Der Name selbst strahlt Geheimhaltung aus und deutet auf etwas Verborgenes im Schatten des Universums hin.

Genannt ein kollaboratives Team von Wissenschaftlern kohärentdarunter Kate Schulberg, Distinguished Professor of Physics of Arts and Sciences, Philip Barbeau, Associate Professor of Physics, und Postdoktorand Daniel Berchie, haben versucht, dunkle Materie aus den Schatten des Universums an einen weniger glamourösen Ort zu bringen: einen hell erleuchteten , beengter Kellerflur.

Allerdings kein gewöhnlicher Keller. Das Team arbeitet in einem Bereich des Oak Ridge National Laboratory mit dem Spitznamen Neutrino Alley und konzentriert sich normalerweise auf subatomare Teilchen, die Neutrinos genannt werden. Sie entstehen, wenn Sterne sterben und zu Supernovae werden, oder auf einer erdnahen Ebene als Nebenprodukt kollidierender Protonen in Teilchenbeschleunigern.

Dunkle Materie, das unsichtbare Zeug, das 85 % der Materie des Universums ausmacht, ist nicht weit zwischen den Galaxien verborgen. Ein Team von Wissenschaftlern versucht, sie aus dem Schatten zu holen. Bildnachweis: Röntgenstrahlen: NASA/CXO/Fabian et al. ; Radio: Gendron-Marsolais et al. ; NRAO/AUI/NSF Optisch: NASA, SDSS

Nicht zufällig liegt die Neutrino Alley direkt unter einem der leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem von Oak Ridge. Spallations-Neutronenquelle (SNS). Neutrino Alley beherbergt eine Sammlung von Detektoren, die speziell dafür entwickelt wurden, Neutrinos zu überwachen, wenn sie vorbeiziehen und mit ihnen kollidieren.

Neutrinos sind jedoch nicht das einzige Nebenprodukt von SNS-Prozessen. Dunkle Materie (nicht zu verwechseln mit der Lieblingsantimaterie des Bösewichts) entsteht auch, wenn Teilchenbeschleuniger Protonen zusammenschleudern. Nach Jahren theoretischer Berechnungen machte sich das COHERENT-Team daran, die Leistungsfähigkeit von SNS und die Empfindlichkeit ihrer Neutrino-Detektoren zu nutzen, um dunkle Materie in Neutrino Alley zu überwachen.

„Und das haben wir nicht gesehen“, sagt Schulberg. „Wenn wir es gesehen hätten, wäre es natürlich spannender gewesen, aber es nicht zu sehen, ist tatsächlich ein großes Problem.“

Sie erklärte, dass die Tatsache, dass dunkle Materie von ihren Neutrino-Detektoren nicht entdeckt wurde, es ihr ermögliche, theoretische Modelle darüber zu verbessern, wie dunkle Materie aussieht.

„Wir wissen genau, wie ein Detektor für dunkle Materie reagieren würde, wenn die dunkle Materie bestimmte Eigenschaften hätte, also haben wir nach dieser spezifischen Signatur gesucht.“

Kate Schulberg, Co-Autor Grayson Rich und Philip Barbeau. Bildnachweis: Long Li/Duke University

Der fragliche Fingerabdruck ist die Art und Weise, wie die Kerne der Atome im Neutrino-Detektor abprallen, wenn sie auf ein Neutrino oder in diesem Fall auf ein Teilchen der Dunklen Materie treffen.

„Es ist, als würde man Projektile auf eine Bowlingkugel auf einem Stück Eis werfen“, sagte Berchie. Bowlingkugeln sind in seiner Analogie die Atome im Neutrinodetektor – der in diesem Experiment ein 14,6 kg schwerer Cäsiumjodidkristall war. „Man kann viel über die Schlinge und die Kraft, die man wirft, daran erkennen, wie hoch die Bowlingkugel beim Kontakt springt.“

Wenn es um dunkle Materie geht, ist jede Information eine gute Information. Niemand weiß, was es wirklich ist. Vor fast 100 Jahren erkannten Physiker, dass sich das Universum nicht so verhalten könnte, wie es sich verhalten würde, wenn es nur die Dinge enthielte, die wir sehen könnten.

„Wir schwimmen in einem Meer aus Dunkler Materie“, sagte Jason Newby, Leiter der Neutrino Research Group am Oak Ridge National Laboratory und Mitautor der Studie. Die Physiker sind sich einig, dass dunkle Materie 85 % der Masse des Universums ausmacht. Es muss der Schwerkraft unterliegen, um das Verhalten des Universums zu erklären, aber es interagiert nicht mit Licht oder elektromagnetischen Wellen und erscheint dunkel.

Jason Newby und Co-Autor Yuri Efremenko tragen den sehr kleinen 14,6 kg schweren Cäsiumjodid-Neutrinodetektor, der zur Suche nach dunkler Materie in der Neutrino Alley verwendet wird. Bildnachweis: Genevieve Martin/Oak Ridge National Laboratory, US-Energieministerium

„Wir haben dies gelernt, indem wir uns große Galaxien angesehen haben, die sich gegenseitig umkreisen, und wir haben gesehen, dass sie sich viel schneller drehen, als sie sollten, was impliziert, dass sie mehr Masse haben, als sie zu sein scheinen“, sagte Birchi. „Wir wissen also, dass es da draußen zusätzliche Dinge gibt, wir müssen nur wissen, wo wir danach suchen müssen.“

„Auch wenn wir meistens keine Ergebnisse bekommen, ist es wirklich wichtig, dass man überall hinschaut und dann eine ganze Reihe von Möglichkeiten ausschließen und sich mit Strategie auf einen neuen Bereich konzentrieren kann, anstatt nur mit den ‚Spaghetti an der Wand‘ zu arbeiten ‚Ansatz“, sagte Newby.

Daniel Berch. Bildnachweis: Duke University

„Wir erweitern unsere Reichweite auf alle Modelle, die für dunkle Materie existieren könnten, und das ist sehr mächtig“, sagte Schulberg.

Und die Errungenschaft hört hier nicht auf, bemerkt sie: Das Experiment ermöglichte es dem Team auch, die globale Suche nach dunkler Materie auf neue Weise zu erweitern.

„Die typische Detektionstechnik besteht darin, in den Untergrund zu gehen, einen sehr empfindlichen Detektor zu bauen und darauf zu warten, dass die Teilchen der Dunklen Materie vorbeiziehen“, sagte Berchi.

das Problem? Teilchen der Dunklen Materie können leise durch die Luft reisen. Wenn es auch sehr leicht ist, erreicht es den Detektor möglicherweise nicht mit genügend Energie, um einen erkennbaren Fingerabdruck zu erzeugen.

Der experimentelle Aufbau des COHERENT-Teams befasst sich mit diesem Problem.

„Wenn Sie in den Beschleuniger gehen, erzeugen Sie diese Teilchen mit deutlich höherer Energie“, sagte Berchi. Das gibt ihnen viel Schwere um die Kerne zu treffen und das Signal der Dunklen Materie zu zeigen. „

So was jetzt? Es ist nicht ganz zurück zum Reißbrett. Neutrino Alley bereitet sich derzeit darauf vor, einen größeren, empfindlicheren Detektor zu erhalten, der in Kombination mit den verfeinerten Suchkriterien von COHERENT die Chancen, eines dieser teuflischen Teilchen zu fangen, erheblich verbessern wird.

„Wir sind an der Schwelle, wo dunkle Materie sein muss“, sagte Birchi.

Referenz: „Erste Sub-GeV-Sonde für dunkle Materie jenseits kosmologischer Vorhersagen mit dem COHERENT CsI-Detektor im SNS“ von D. Akimov et al. 3. Februar 2023 Physische Überprüfungsschreiben.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.051803