Der XENON1T-Detektor, die größte Suche nach "schwerer" dunkler Materie, schloss die Existenz heller Formen dunkler Materie aus und "tastete" die ersten Hinweise auf die Existenz unerwartet schwerer Partikel dieser mysteriösen Substanz ab, teilten die Projektteilnehmer auf einer Pressekonferenz im italienischen Labor von Gran Sasso mit.
„Bisher kann nur eines gesagt werden - dieses verdammte Teilchen versteckt sich immer noch vor uns. Einerseits konnten wir im Massenbereich bis 200 GeV keine Spuren seiner Existenz finden. Andererseits schließen unsere Modelle die Existenz schwererer WIMPs nicht aus. Wir haben sogar Hinweise darauf in den Daten, obwohl ihre statistische Signifikanz gering ist - nur ein Sigma, und ich würde gerne glauben, dass dies kein Unfall ist “, sagte Elena Aprile, eine offizielle Vertreterin der XENON1T-Zusammenarbeit.
Die Welt hinter einem dunklen Bildschirm
Lange Zeit glaubten Wissenschaftler, dass das Universum aus der Materie besteht, die wir sehen und die die Grundlage aller Sterne, Schwarzen Löcher, Nebel, Staubhaufen und Planeten bildet. Die ersten Beobachtungen der Bewegungsgeschwindigkeit von Sternen in nahe gelegenen Galaxien zeigten jedoch, dass sich die Sterne am Stadtrand mit einer unglaublich hohen Geschwindigkeit in ihnen bewegen, die etwa zehnmal höher war als Berechnungen, die auf den Massen aller Sterne in ihnen basierten.
Der Grund dafür war laut heutigen Wissenschaftlern die sogenannte dunkle Materie - eine mysteriöse Substanz, die etwa 75% der Masse der Materie im Universum ausmacht. Typischerweise hat jede Galaxie etwa 8 bis 10 Mal mehr dunkle Materie als ihre sichtbare Cousine, und diese dunkle Materie hält die Sterne an Ort und Stelle und verhindert, dass sie sich zerstreuen.
Heute sind fast alle Wissenschaftler von der Existenz der Dunklen Materie überzeugt, aber ihre Eigenschaften bleiben neben ihrem offensichtlichen Einfluss der Gravitation auf Galaxien und Galaxienhaufen ein Rätsel und werden von Astrophysikern und Kosmologen kontrovers diskutiert. Wissenschaftler haben lange Zeit angenommen, dass es aus superschweren und "kalten" Partikeln besteht - "Weicheier", die sich in keiner Weise manifestieren, außer indem sie sichtbare Materiecluster anziehen.
Wissenschaftler versuchen heute, solche Partikel mit riesigen unterirdischen Detektoren zu finden, die mit absolut reinem Xenon gefüllt sind. Die Kerne der Edelgasatome mussten, wie zuvor von Wissenschaftlern angenommen, auf besondere Weise mit den "WIMPs" interagieren, was durch Beobachtung der Lichtblitze im verflüssigten Xenon nachgewiesen werden konnte.
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In den letzten zwei Jahrzehnten haben Wissenschaftler etwa ein Dutzend solcher Detektoren mit zunehmendem Volumen und zunehmender Masse entwickelt, von denen keiner Spuren von Xenon-WIMP-Wechselwirkungen nachweisen konnte. Besondere Hoffnungen wurden auf das XENON1T-Projekt gesetzt - einen Detektor, der 2014 im italienischen Labor von Gran Sasso gebaut wurde und einen Rekord von 3,5 Tonnen Xenon enthält, was etwa dem Zehnfachen der Masse aller Wettbewerber entspricht.
Der Schlüssel zum Universum
Die ersten Ergebnisse, die das XENON1T-Team im November letzten Jahres vorlegte, erwiesen sich erneut als "Null" - ein Team von mehr als hundert Physikern aus 21 Ländern der Welt konnte keine signifikanten Spuren der Existenz von "WIMPs" in einem sehr breiten Spektrum von Massen und Energien finden.
Aprile und ihre Kollegen präsentierten heute die Ergebnisse einer Analyse des vollständigen Datensatzes, die ihre vorläufigen Ergebnisse mit wenigen geringfügigen Ausnahmen weitgehend bestätigte. Wie die Wissenschaftler bemerken, ist es ihnen gelungen, die Möglichkeit der Existenz von leichten "WIMPs" mit Massen von 6 bis 30 GeV auszuschließen und die Wahrscheinlichkeit, Partikel mit einer Masse von bis zu 200 GeV zu detektieren, praktisch auf Null zu setzen.
Andererseits widersprechen die von ihnen gesammelten Daten nicht und weisen laut Aprile selbst darauf hin, dass die Teilchen der dunklen Materie tatsächlich eine viel höhere Masse haben als die zuvor angenommenen Physiker.
„Unsere Aufgabe ist jetzt sehr einfach - wir müssen nur weiter beobachten und gleichzeitig den Geräuschpegel senken und die Empfindlichkeit erhöhen. Mir scheint, wir können entweder nach dem nächsten Update der Detektoren zu den VIMPs gehen oder wir werden endlich die Frage nach ihrer Existenz schließen “, fährt der Physiker fort.
Ihr zufolge bauen die XENON1T-Teilnehmer bereits eine neue Version des Detektors zusammen, deren Xenonmasse auf vier Tonnen erhöht und die Interferenz um mindestens das Zehnfache verringert wird. Die Installation wird in diesem Jahr abgeschlossen sein und Mitte 2019 die ersten wissenschaftlichen Daten erhalten.
