Australische Wissenschaftler machen Fortschritte bei der Lösung eines der größten Geheimnisse des Universums: der Natur unsichtbarer dunkler Materie.
Das ORGAN-Experiment, Australiens erster großer Detektor für dunkle Materie, hat kürzlich eine Suche nach einem hypothetischen Teilchen namens Axion abgeschlossen – ein beliebter Kandidat unter Theorien, die versuchen, dunkle Materie zu erklären.
ORGAN hat den möglichen Eigenschaften von Axionen neue Grenzen gesetzt und so dazu beigetragen, die Suche nach ihnen einzugrenzen. Aber bevor wir uns selbst überfordern…
Beginnen wir mit einer Geschichte
Vor etwa 14 Milliarden Jahren wurden all die kleinen Materieteilchen – die fundamentalen Teilchen, die später Sie, den Planeten und die Galaxie werden würden – zu einer sehr dichten, heißen Region komprimiert.
Dann passierte der Urknall und alles flog auseinander. Die Teilchen verbanden sich zu Atomen, die sich schließlich zu Sternen zusammenballten, die explodierten und alle Arten exotischer Materie erzeugten.
Nach ein paar Milliarden Jahren kam die Erde, die schließlich von kleinen Dingen namens Menschen wimmelte. Coole Geschichte, oder? Es stellt sich heraus, dass es nicht die ganze Geschichte ist; es ist nicht einmal die Hälfte.
Menschen, Planeten, Sterne und Galaxien bestehen alle aus normaler Materie. Aber wir wissen, dass normale Materie nur ein Sechstel der gesamten Materie im Universum ausmacht.
Der Rest besteht aus dem, was wir Dunkle Materie nennen. Sein Name sagt Ihnen fast alles, was wir darüber wissen. Es emittiert kein Licht (daher nennen wir es dunkel) und es hat Masse (daher nennen wir es Materie).
Wenn es unsichtbar ist, woher wissen wir, dass es da ist?
Wenn wir beobachten, wie sich Dinge im Raum bewegen, stellen wir immer wieder fest, dass wir unsere Beobachtungen nicht erklären können, wenn wir nur das betrachten, was wir sehen können.
Spinnende Galaxien sind ein großartiges Beispiel. Die meisten Galaxien drehen sich mit Geschwindigkeiten, die nicht allein durch die Anziehungskraft der sichtbaren Materie erklärt werden können.
Also muss es in diesen Galaxien dunkle Materie geben, die für zusätzliche Schwerkraft sorgt und es ihnen ermöglicht, sich schneller zu drehen – ohne dass Teile in den Weltraum geschleudert werden. Wir glauben, dass dunkle Materie Galaxien buchstäblich zusammenhält.
Es muss also eine enorme Menge dunkler Materie im Universum geben, die alles anzieht, was wir sehen können. Es geht auch durch dich hindurch, wie eine Art kosmisches Gespenst. Du kannst es einfach nicht fühlen.
Wie könnten wir es erkennen?
Viele Wissenschaftler glauben, dass dunkle Materie aus hypothetischen Teilchen bestehen könnte, die Axionen genannt werden. Axionen wurden ursprünglich als Teil einer Lösung für ein anderes großes Problem in der Teilchenphysik vorgeschlagen, das als starkes CP-Problem bezeichnet wird (über das wir einen ganzen Artikel schreiben könnten).
Wie auch immer, nachdem das Axion vorgeschlagen wurde, erkannten die Wissenschaftler, dass das Teilchen unter bestimmten Bedingungen auch dunkle Materie bilden könnte. Das liegt daran, dass von Axionen erwartet wird, dass sie sehr schwache Wechselwirkungen mit normaler Materie haben, aber immer noch etwas Masse haben: die beiden Bedingungen, die für dunkle Materie erforderlich sind.
Wie gehen Sie bei der Suche nach Axionen vor?
Nun, da angenommen wird, dass dunkle Materie überall um uns herum ist, können wir Detektoren direkt hier auf der Erde bauen. Und glücklicherweise sagt die Theorie, die Axionen vorhersagt, auch voraus, dass Axionen unter den richtigen Bedingungen in Photonen (Lichtteilchen) umgewandelt werden können.
Das sind gute Neuigkeiten, denn wir sind großartig darin, Photonen zu erkennen. Und genau das tut ORGAN. Es entwickelt die richtigen Bedingungen für die Umwandlung von Axionen in Photonen und sucht nach schwachen Photonensignalen – kleine Lichtblitze, die von dunkler Materie erzeugt werden, die den Detektor passiert.
Diese Art von Experiment wird als Axion-Haloskop bezeichnet und wurde erstmals im vorgeschlagen 1980er-Jahre. Es gibt heute ein paar auf der Welt, von denen sich jede in wichtigen Punkten leicht unterscheidet.
Ein Licht auf Dunkle Materie werfen
Es wird angenommen, dass sich ein Axion in Gegenwart eines starken Magnetfelds in ein Photon umwandelt. In einem typischen Haloskop erzeugen wir dieses Magnetfeld mit einem großen Elektromagneten, der als supraleitender Solenoid bezeichnet wird.
Innerhalb des Magnetfelds platzieren wir eine oder mehrere Hohlkammern aus Metall, die die Photonen einfangen und sie im Inneren herumprallen lassen sollen, um sie leichter zu erkennen.
Es gibt jedoch einen Haken. Alles, was eine Temperatur hat, sendet ständig kleine zufällige Lichtblitze aus (weshalb Wärmebildkameras funktionieren). Diese zufälligen Emissionen oder Rauschen erschweren es, die schwachen Signale der Dunklen Materie zu erkennen, nach denen wir suchen.
Um dies zu umgehen, haben wir unseren Resonator in einen Verdünnungskühlschrank gestellt. Dieser schicke Kühlschrank kühlt das Experiment auf kryogene Temperaturen von etwa −273 °C, wodurch der Lärm stark reduziert wird.
Je kälter das Experiment ist, desto besser können wir auf schwache Photonen „lauschen“, die während der Umwandlung dunkler Materie entstehen.
Ausrichtung auf Massenregionen
Ein Axion einer bestimmten Masse wird in ein Photon einer bestimmten Frequenz oder Farbe umgewandelt. Da die Masse der Axionen jedoch unbekannt ist, müssen Experimente ihre Suche auf verschiedene Regionen richten und sich auf diejenigen konzentrieren, in denen dunkle Materie als wahrscheinlicher angesehen wird.
Wenn kein Signal von dunkler Materie gefunden wird, ist das Experiment entweder nicht empfindlich genug, um das Signal über dem Rauschen zu hören, oder es gibt keine dunkle Materie in der entsprechenden Axion-Massenregion.
Wenn dies geschieht, setzen wir eine „Ausschlussgrenze“ – was nur eine Art zu sagen ist: „Wir haben keine dunkle Materie in diesem Massenbereich mit dieser Empfindlichkeitsstufe gefunden.“ Dies weist den Rest der Forschungsgemeinschaft zur Dunklen Materie an, ihre Suche woanders hin zu lenken.
ORGAN ist das empfindlichste Experiment in seinem angepeilten Frequenzbereich. Sein jüngster Lauf hat keine Signale der Dunklen Materie entdeckt. Dieses Ergebnis hat eine wichtige Ausschlussgrenze für die möglichen Merkmale gesetzt von Axionen.
Dies ist die erste Phase eines mehrjährigen Plans zur Suche nach Axionen. Wir bereiten derzeit das nächste Experiment vor, das empfindlicher sein und auf einen neuen, noch unerforschten Massenbereich abzielen wird.
Aber warum ist dunkle Materie wichtig?
Nun, zum einen wissen wir aus der Geschichte, dass wir, wenn wir in grundlegende Physik investieren, letztendlich wichtige Technologien entwickeln. Zum Beispiel stützt sich die gesamte moderne Computertechnik auf unser Verständnis der Quantenmechanik.
Wir hätten niemals Elektrizität oder Radiowellen entdeckt, wenn wir nicht Dingen nachgegangen wären, die zu der Zeit seltsame physikalische Phänomene zu sein schienen, die unser Verständnis überstiegen. Dunkle Materie ist dasselbe.
Denken Sie an alles, was Menschen erreicht haben, indem sie nur ein Sechstel der Materie im Universum verstanden haben – und stellen Sie sich vor, was wir tun könnten, wenn wir den Rest entschlüsseln würden.
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