In einer verlassenen Goldmine, eine Meile von Leed, South Dakota, entfernt, arbeiten Ingenieure und Physiker der Universität von Wisconsin-Madison an einer Kammer mit 10 Tonnen flüssigem Xenon. Sie hoffen, dass sie in einer unterirdischen Mine, in der der Versuchsraum vor Sonnenpartikeln und kosmischer Strahlung geschützt wird, erstmals dunkle Materie entdecken können.
Wir haben bereits eine detaillierte Analyse veröffentlicht, was mysteriöse dunkle Materie aus Sicht der modernen Physik sein kann. Die anfängliche Hypothese tauchte bereits in den 1930er Jahren auf, als Astronomen erkannten, dass der Galaxie die Schwerkraft fehlt, um ihre Struktur nur aufgrund ihrer sichtbaren Quellen - Sterne, Planeten, Schwarze Löcher usw. - aufrechtzuerhalten. Direkt die dunkle Materie selbst zuvor Bisher konnte nicht nachgewiesen werden, dass seine Existenz nur mit Hilfe von gravitativen mathematischen Modellen abgeleitet wurde. Astronomen glauben jedoch, dass es im Universum tatsächlich fünfmal mehr dunkle Materie als sichtbare Materie gibt. Das UW-Madison-Team hat beschlossen, diese Unsicherheit zu beenden.
Das Goldminenexperiment in South Dakota heißt LUX-ZEPLIN, kurz LZ. Es ist eine erweiterte Version des vorherigen LUX-Experiments (Large Underground Xenon) und des ZEPLIN-Programms für dunkle Materie. Die Idee ist, ein Teilchen der dunklen Materie zu detektieren, wenn es mit einem Xenonatom interagiert, was eine Kettenreaktion in der Kammer verursacht, die schließlich ultraviolettes Licht ausstößt und eine Flut von Elektronen freisetzt. Unmittelbar nach dem Entzünden des flüssigen Xenons reagiert das Xenongas in der darüber liegenden Kammer, indem es Elektronen emittiert und einen zweiten, helleren Lichtimpuls emittiert. Physiker, die an dem Projekt arbeiten, beschreiben es als "Glocke", die läutet, wenn sie einem Teilchen dunkler Materie ausgesetzt wird.
"Teilchen der Dunklen Materie können genau hier im Raum sein, durch Ihren Kopf gehen und möglicherweise gelegentlich mit einigen Atomen kollidieren", sagte Duncan Carlsmith, Professor für Physik an der UW-Madison, in einer Pressemitteilung.
Schematische Darstellung des unterirdischen Labors LUX-ZEPLIN
Anfang dieses Monats genehmigte das Energieministerium die letzten Phasen des LZ-Baus in einer Goldmine, die offiziell als Sanford Underground Research Center bezeichnet wird. In der Zwischenzeit arbeiten Forscher mit einem kleineren Prototyp, um sicherzustellen, dass die "große" LZ beim Start im Jahr 2020 nicht störanfällig ist.
Um sicherzustellen, dass nur dunkle Materie mit flüssigem Xenon interagiert, baut das Team zwei externe Kammern, in denen kontaminierende Partikel erkannt und entfernt werden. Die Kammer wird mit 10 Tonnen flüssigem Xenon und mehr als 500 Fotovervielfacherröhren gefüllt - Vakuumröhren, die hochempfindliche Lichtdetektoren sind und die LZ überwachen. Wenn etwas anderes als dunkle Materie den Rest des Xenons zerstört, müssen die Detektoren zeigen, dass dies ein Fehlalarm ist.
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Sobald die Installation in der unterirdischen Mine fertig ist und das Experiment gestartet wird, bleibt nur noch zu warten. Physiker werden nach schwach wechselwirkenden massiven Teilchen oder WIMPs suchen, die die hypothetischen Bausteine der Dunklen Materie sind. Es wird angenommen, dass WIMPs die meiste Zeit spurlos durch gewöhnliche Materie gehen, aber gelegentlich mit gewöhnlichen Partikeln kollidieren können.
Die Teilnehmer des LUX-ZEPLIN-Projekts haben eine Miniaturkopie der zukünftigen Installation zusammengestellt. Bevor Sie ein globales Experiment durchführen, müssen Sie es an einem kleineren und teureren Modell testen.
LZ wird mindestens fünf Jahre bestehen bleiben, aber jeder hofft, dass es WIMPs zum ersten Mal erkennen oder auf andere Weise als ätherische Substanz ausschließen kann, aus der dunkle Materie besteht. Andere Experimente im IceCube Center for Particle Astrophysics in Wisconsin sowie Projekte in Italien und China führen eigene Experimente durch, um direkte Beweise für die Existenz dunkler Materie zu finden. UW-Madison-Physiker verwenden den Large Hadron Collider auch, um dunkle Materie zu erkennen, die entsteht, wenn hochenergetische Partikel kollidieren. Das Rennen um die Entdecker der Dunklen Materie ist in vollem Gange!
Wenn wir diese Substanz finden und messen können, werden wir besser verstehen als je zuvor, wie das Universum funktioniert. Es ist möglich, dass dunkle Materie mehr als 25 Prozent des gesamten Kosmos ausmacht, und sobald wir die spezifischen Eigenschaften des Materials entdecken, kann sie Geheimnisse enthüllen, die uns lange verborgen geblieben sind.
