Im Bereich der Forschung zu dunkler Materie gibt es wie in einem Porzellanladen einen Elefanten: eine Behauptung, die kaum zu glauben, nicht zu bestätigen und überraschend schwer zu erklären ist. Aber jetzt haben wir vier Instrumente mit dem gleichen Detektortyp wie die Zusammenarbeit, der diese umstrittene Behauptung gehört. In den nächsten drei Jahren werden diese Experimente entweder die Existenz dunkler Materie bestätigen oder die Behauptung ein für alle Mal widerlegen, sagen die an ihnen arbeitenden Physiker.
"Alles wird klappen", sagt Frank Kalaprice von der Princeton University in New Jersey, der eines der Experimente leitet.
Die erste Ankündigung erfolgte durch die DAMA-Kollaboration, deren Detektor sich in einem Labor tief unter dem Gran Sasso-Gebirge östlich von Rom befindet. Vor über einem Jahrzehnt lieferte sie erstaunliche Beweise für dunkle Materie, eine unsichtbare Substanz, von der angenommen wird, dass sie Galaxien durch ihre Anziehungskraft zusammenhält. Der erste der neuen Detektoren wird in wenigen Wochen in Südkorea in Betrieb gehen. Der Rest wird in den nächsten Jahren in Spanien, Australien und Gran Sasso eingeführt. Alle von ihnen werden Natriumiodidkristalle verwenden, um nach dunkler Materie zu suchen, was mit Ausnahme von DAMA kein großes Experiment durchgeführt hat.
Wissenschaftler sind sehr zuversichtlich, dass dunkle Materie existiert und dass sie mindestens fünfmal größer ist als normale Materie. Aber seine Natur bleibt geheimnisvoll. Die führende Hypothese ist, dass zumindest ein Teil seiner Masse aus schwach wechselwirkenden Teilchen (WIMPs) besteht, die gelegentlich mit Atomkernen auf der Erde kollidieren müssen.
Natriumiodidkristalle sollten einen Lichtblitz abgeben, wenn dies im Detektor geschieht. Und während natürliche Radioaktivität auch solche Ausbrüche hervorruft, kündigte DAMA bereits 1998 die Entdeckung von WIMPs an und verwies auf die Tatsache, dass die Anzahl der pro Tag produzierten Ausbrüche mit den Jahreszeiten schwankte.
Dies ist zu erwarten, wenn das Signal von WIMPs erzeugt wird, die auf die Erde gelangen, wenn sich das Sonnensystem durch den Halo der dunklen Materie der Milchstraße bewegt. In diesem Fall sollte die Anzahl der Teilchen, die die Erde überqueren, ihren Höhepunkt erreichen, wenn sich die Umlaufbewegung des Planeten mit der Bewegung der Sonne Anfang Juni ausrichtet, und abnehmen, wenn die Bewegung Anfang Dezember gegen die Sonne geht.
Aber es gibt ein großes Problem. „Wenn es wirklich dunkle Materie wäre, hätten es inzwischen viele andere Experimente gesehen“, sagt Thomas Schwetz-Mangold, theoretischer Physiker am Karlsruher Institut für Technologie in Deutschland - und niemand hat es bisher gesehen. Gleichzeitig waren alle Versuche, Schwächen im DAMA-Experiment zu finden, einschließlich Umwelteinflüssen, die Wissenschaftler nicht berücksichtigten, nicht erfolgreich. "Es gibt ein Modulationssignal", sagt Kaijuan Ni von der University of California in San Diego, der am XENON1T-Experiment für dunkle Materie arbeitet. "Aber wie man dieses Signal interpretiert - zugunsten der Dunklen Materie oder etwas anderem - ist nicht klar."
Kein anderes Experiment in vollem Umfang verwendete Natriumiodid in seinem Detektor, obwohl KIMS in Südkorea Cäsiumiodid verwendete. Somit bleibt die Möglichkeit bestehen, dass dunkle Materie auf irgendeine Weise anders mit Natrium interagiert als mit anderen Elementen. "Bis jemand einen Detektor auf dasselbe Element abfeuert, das den Hinweis hinterlassen hat, kann man sich über nichts sicher sein", sagt Juan Collar von der Universität von Chicago in Illinois, der an mehreren Experimenten mit dunkler Materie gearbeitet hat.
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Viele hatten die Schwierigkeit, Natriumiodidkristalle mit der erforderlichen Reinheit zu züchten. Auffällig ist auch die Kaliumkontamination, die ein natürlich vorkommendes radioaktives Isotop aufweist.
Drei Wissenschaftlerteams - KIMS, DM-Ice von der Yale University in New Haven und ANAIS von der University of Zaragoza in Spanien - gelang es jedoch, Kristalle mit einer Radioaktivität zu erhalten, die halb so hoch ist wie die von DAMA. Es ist sauber genug, um ihre Ergebnisse zu testen, sagen Wissenschaftler.
Wissenschaftler von KIMS und DM-Ice haben in Zusammenarbeit mit dem unterirdischen Labor Yangyang, 160 Kilometer östlich von Seoul, einen Natriumiodiddetektor gebaut. Das Tool verwendet einen „aktiven Veto“-Sensor, der dunkle Materie besser von Hintergrundgeräuschen unterscheidet als DAMA, sagt Yengduk Kim, Direktor des südkoreanischen Zentrums für Untergrundphysik in Daejeon, das KIMS betreibt.
ANAIS baut einen ähnlichen Detektor im unterirdischen Labor von Canfranc in den spanischen Pyrenäen. KIMS, DM-Ice und ANAIS werden zusammen über 200 Kilogramm Natriumjodid transportieren und Daten austauschen. Im Vergleich zu den 250 Kilogramm, die DAMA hatte, erwarten die Wissenschaftler eine ähnliche Anzahl von WIMPs. Und während die neuen Detektoren ein höheres Hintergrundrauschen aufweisen, können sie das stärkste DAMA-Signal entweder fälschen oder reproduzieren, sagt Reina Maruyama von der Yale University, die DM-Ice betreibt.
Aber Kalapris argumentiert, dass hohe Reinheit wichtiger ist als Masse. Gemeinsam mit Kollegen entwickelte er einen Weg, um die Umweltverschmutzung zu reduzieren, und kündigte im Januar den Erhalt von Kristallen an, die sauberer als DAMA-Kristalle sind. Er hofft, das Hintergrundniveau weiter auf ein Zehntel der DAMA reduzieren zu können.
In seinem Projekt SABRE (Active Background Rejection Sodium Iodide) wird ein Detektor in Gran Sasso und ein weiterer im Stowell Underground Physics Laboratory untergebracht, das in einer Goldmine in Victoria, Australien, gebaut wird. SABRE wird einen Detektor verwenden, der das Signal der dunklen Materie vom Rauschen trennt und etwa 50 Kilogramm wiegt.
SABRE wird seine Forschung und Entwicklung in etwa einem Jahr abschließen und kurz danach mit dem Bau seiner Detektoren beginnen, sagt Kalapris. Dann wird die Technologie anderen Labors zur Verfügung stehen - etwas, was DAMA nicht getan hat. Und wenn Sie zwei identische Detektoren in der nördlichen und südlichen Hemisphäre haben, können Sie verstehen, ob Umwelteinflüsse die Saisonalität der Dunklen Materie in den DAMA-Ergebnissen vortäuschen können. Wenn das Signal von WIMPs stammt, sehen beide Detektoren gleichzeitig Spitzenwerte.
DAMA ist sehr zuversichtlich in die Ergebnisse, sagt Rita Bernabei von der Universität Rom. Sie ist nicht besonders begeistert von der bevorstehenden Einführung von Natriumjodid-Detektoren. „Unsere Ergebnisse wurden über 14 Jahre hinweg mehrfach validiert, daher haben wir keinen Grund, uns darauf zu freuen, was andere tun werden“, sagt sie. Wenn andere Experimente die jährlichen Modulationen nicht sehen, entscheidet die Zusammenarbeit einfach, dass sie nicht empfindlich genug sind.
Aber was ist, wenn die DAMA-Wissenschaftler Recht haben? „Zuerst wollte ich den DAMA-Ergebnissen nicht glauben, ich habe sie nicht einmal ernst genommen“, sagt Katherine Freese, eine Astroteilchentheoretikerin an der Universität von Michigan in Ann Arbor, die die saisonale Modulationsmethode der DAMA vorschlug. Da jedoch keine andere Erklärung für ihr Signal gefunden wurde, war sie beruhigt. "Je mehr ein Mensch sein Experiment studiert, desto mehr erkennt er, wie gut es gemacht wird."
Ilya Khel
