Bildnachweis: Fermilab
Mit den ersten Daten aus ihrem unterirdischen Observatorium in Nord-Minnesota haben Wissenschaftler der Cryogenic Dark Matter Search mit größerer Sensibilität als je zuvor in das vermutete Reich der WIMPS geblickt. Das Sichten von schwach wechselwirkenden massiven Teilchen könnte das doppelte Geheimnis der dunklen Materie auf der kosmischen Skala und der Supersymmetrie auf der subatomaren Skala lösen.
Das CDMS II-Ergebnis, das in einem bei Physical Review Letters eingereichten Artikel beschrieben wird, zeigt mit 90-prozentiger Sicherheit, dass die Interaktionsrate eines WIMP mit einer Masse von 60 GeV weniger als 4 x 10-43 cm2 oder etwa eine Interaktion alle 25 Tage pro Kilogramm betragen muss von Germanium, dem Material im Detektor des Experiments. Dieses Ergebnis sagt Forschern mehr als je zuvor über WIMPS, falls es sie gibt. Die Messungen der CDMS II-Detektoren sind mindestens viermal empfindlicher als die besten vorherigen Messungen des EDELWEISS-Experiments, eines unterirdischen europäischen Experiments in der Nähe von Grenoble, Frankreich.
"Stellen Sie sich diese verbesserte Empfindlichkeit wie ein neues Teleskop mit dem doppelten Durchmesser und damit der vierfachen Lichtsammlung aller zuvor vorkommenden vor", sagte CDMS II-Sprecher Blas Cabrera von der Stanford University. „Wir können jetzt nach einem Signal suchen, das nur ein Viertel so hell ist wie jedes andere, das wir zuvor gesehen haben. In den nächsten Jahren erwarten wir eine Verbesserung unserer Empfindlichkeit um den Faktor 20 oder mehr. “
Die Ergebnisse werden auf dem April-Treffen der American Physical Society am 3. und 4. Mai in Denver von Harry Nelson und dem Doktoranden Joel Sanders von der University of California in Santa Barbara sowie von Gensheng Wang und Sharmila Kamat von Case Western vorgestellt Reserve Universität.
"Wir wissen, dass weder unser Standardmodell der Teilchenphysik noch unser Modell des Kosmos vollständig sind", sagte CDMS II-Sprecher Bernard Sadoulet von der University of California in Berkeley. „Dieses besondere fehlende Teil scheint zu beiden Puzzles zu passen. Wir sehen dieselbe Form aus zwei verschiedenen Richtungen. “
WIMPs, die keine Gebühr tragen, sind eine Studie in Widersprüchen. Während Physiker erwarten, dass sie etwa die 100-fache Masse an Protonen haben, erlaubt ihnen ihre gespenstische Natur, durch gewöhnliche Materie zu schlüpfen und kaum eine Spur zu hinterlassen. Der Begriff „schwach wechselwirkend“ bezieht sich nicht auf die Menge an Energie, die bei der Wechselwirkung mit normaler Materie abgelagert wird, sondern auf die Tatsache, dass sie äußerst selten interagieren. Tatsächlich können bis zu hundert Milliarden WIMPs durch Ihren Körper gestreamt sein, während Sie diese ersten Sätze lesen.
Mit 48 Wissenschaftlern aus 13 Institutionen sowie weiteren 28 Mitarbeitern aus den Bereichen Ingenieurwesen, Technik und Verwaltung arbeitet CDMS II mit Mitteln des Office of Science des US-Energieministeriums, der Abteilungen für Astronomie und Physik der National Science Foundation und von Mitgliedsinstitutionen. Das Fermi National Accelerator Laboratory des DOE übernimmt das Projektmanagement für CDMS II.
"Die Natur der Dunklen Materie ist von grundlegender Bedeutung für unser Verständnis der Entstehung und Entwicklung des Universums", sagte Dr. Raymond L. Orbach, Direktor des DOE Office of Science. "Dieses Experiment wäre ohne die aktive Zusammenarbeit des DOE Office of Science und der National Science Foundation nicht erfolgreich gewesen."
Michael Turner, stellvertretender Direktor für Mathematik und Physik bei NSF, beschrieb die Identifizierung des Bestandteils der Dunklen Materie als eine der großen Herausforderungen sowohl in der Astrophysik als auch in der Teilchenphysik.
"Dunkle Materie hält alle Strukturen im Universum zusammen - einschließlich unserer eigenen Milchstraße - und wir wissen immer noch nicht, woraus die dunkle Materie besteht", sagte Turner. „Die Arbeitshypothese lautet, dass es sich um eine neue Form der Materie handelt, die, wenn sie richtig ist, das Innenleben der Elementarkräfte und -teilchen beleuchtet. Bei der Suche nach der Lösung für dieses wichtige Rätsel steht CDMS nun an der Spitze, und ein weiterer Faktor von 20 für die Empfindlichkeit steht noch aus. “
Dunkle Materie im Universum wird durch ihre Gravitationseffekte auf allen kosmischen Skalen erfasst, vom Strukturwachstum im frühen Universum bis zur heutigen Stabilität von Galaxien. Kosmologische Daten aus vielen Quellen bestätigen, dass diese unsichtbare dunkle Materie mehr als das Siebenfache der Menge an gewöhnlicher sichtbarer Materie ausmacht, die die Sterne, Planeten und anderen Objekte im Universum bildet.
"Etwas da draußen hat die Galaxien geformt und hält sie heute zusammen, und es emittiert oder absorbiert kein Licht", sagte Cabrera. "Die Masse der Sterne in einer Galaxie beträgt nur 10 Prozent der Masse der gesamten Galaxie. Die Sterne sind also wie Weihnachtsbaumbeleuchtungen, die das Wohnzimmer eines großen dunklen Hauses schmücken."
Physiker glauben auch, dass WIMPs die noch nicht beobachteten subatomaren Teilchen sein könnten, die als Neutralinos bezeichnet werden. Dies wäre ein Beweis für die Theorie der Supersymmetrie, die eine faszinierende neue Physik jenseits des heutigen Standardmodells grundlegender Teilchen und Kräfte einführt.
Die Supersymmetrie sagt voraus, dass jedes bekannte Teilchen einen supersymmetrischen Partner mit komplementären Eigenschaften hat, obwohl noch keiner dieser Partner beobachtet wurde. Viele Modelle der Supersymmetrie sagen jedoch voraus, dass das leichteste supersymmetrische Teilchen, das als Neutralino bezeichnet wird, eine Masse hat, die etwa 100-mal so groß ist wie die des Protons.
"Theoretiker haben sich all diese sogenannten" supersymmetrischen Partner "der bekannten Teilchen ausgedacht, um Probleme auf kleinsten Entfernungsskalen zu erklären", sagte Dan Akerib von der Case Western Reserve University. "In einer dieser faszinierenden Verbindungen zwischen sehr großen und sehr kleinen könnte der leichteste dieser Superpartner das fehlende Puzzleteil sein, um zu erklären, was wir auf den größten Entfernungsskalen beobachten."
Das CDMS II-Team praktiziert „unterirdische Astronomie“ mit Teilchendetektoren, die sich fast eine halbe Meile unter der Erdoberfläche in einer ehemaligen Eisenmine in Soudan, Minnesota, befinden. Die 2341 Fuß der Erdkruste schützen die kosmischen Strahlen und die Hintergrundpartikel, die sie produzieren. Die Detektoren bestehen aus Germanium und Silizium, Halbleiterkristallen mit ähnlichen Eigenschaften. Die Detektoren werden auf ein Zehntel eines absoluten Nullpunkts abgekühlt, so kalt, dass die molekulare Bewegung vernachlässigbar wird. Die Detektoren messen gleichzeitig die Ladung und Schwingung, die durch Partikelwechselwirkungen innerhalb der Kristalle erzeugt werden. WIMPS signalisieren ihre Anwesenheit, indem sie bei gleicher Vibration weniger Ladung als andere Partikel freisetzen.
„Unsere Detektoren wirken wie ein Teleskop, das mit Filtern ausgestattet ist, mit denen Astronomen eine Lichtfarbe von einer anderen unterscheiden können“, sagte CDMS II-Projektmanager Dan Bauer von Fermilab. "Nur in unserem Fall versuchen wir, konventionelle Partikel zugunsten von WIMPS aus dunkler Materie herauszufiltern."
Der Physiker Earl Peterson von der University Minnesota beaufsichtigt das Soudan Underground Laboratory, in dem auch Fermilabs Neutrino-Experiment mit langer Basislinie, die Neutrino-Oszillationssuche des Hauptinjektors, durchgeführt wird.
"Ich freue mich über das bedeutende neue Ergebnis von CDMS II und gratuliere zur Zusammenarbeit", sagte Peterson. „Ich freue mich, dass die Einrichtungen des Soudan Laboratory zum Erfolg von CDMS II beigetragen haben. Und ich freue mich besonders, dass die Arbeit von Fermilab und der University of Minnesota beim Ausbau des Soudan Laboratory zu einer hervorragenden neuen Physik geführt hat. “
Während CDSMII in den nächsten Jahren nach WIMPs sucht, wird entweder die dunkle Materie unseres Universums entdeckt oder eine große Anzahl supersymmetrischer Modelle wird von der Möglichkeit ausgeschlossen. In jedem Fall wird das CDMS II-Experiment eine wichtige Rolle bei der Verbesserung unseres Verständnisses der Teilchenphysik und des Kosmos spielen.
Zu den mit CDMS II kooperierenden Institutionen gehören die Brown University, die Case Western Reserve University, das Fermi National Accelerator Laboratory, das Lawrence Berkeley National Laboratory, die National Institutes of Standards and Technology, die Princeton University, die Santa Clara University, die Stanford University, die University of California-Berkeley Universität von Kalifornien-Santa Barbara, Universität von Colorado in Denver, Universität von Florida und Universität von Minnesota.
Fermilab ist ein nationales Labor des DOE Office of Science, das im Auftrag der Universities Research Association, Inc. betrieben wird.
Originalquelle: Fermilab-Pressemitteilung
