Um glücklich zu leben, lasst uns verborgen leben. Dieses Sprichwort gilt auch für Experimente zum Nachweis dunkler Materie. Diese Detektoren werden oft in unterirdischen Laboren mehrere hundert Meter oder Kilometer unter der Oberfläche installiert. Die Dicke des Gesteins blockiert einen Großteil der kosmischen Strahlung, die die Messungen stören würde. Doch es gibt einen Teilchenstrom, den selbst die beste Abschirmung nicht aufhalten kann: Neutrinos. Lange Zeit reichte die Empfindlichkeit der Experimente nicht aus, um diesen „Neutrinonebel“ zu erkennen. Aber zwei der bisher empfindlichsten Detektoren, PandaX-4Tin China und XENONnTin Italien haben gerade verkündet, dass sie zum ersten Mal diesen Nebel durchbrochen haben.
Dunkle Materie bleibt eines der größten Rätsel der Kosmologie. Seine Existenz wurde postuliert, um mehrere Beobachtungen zu erklären, beispielsweise die ungewöhnlich hohe Rotationsgeschwindigkeit von Spiralgalaxien und die Bildung großer Strukturen im Universum (Galaxien und Galaxienhaufen). Seine Natur bleibt im Dunkeln. Unter Dutzenden Kandidaten die „Wimps“-Hypothese (schwach wechselwirkendes massives Teilchen) ist eines der am meisten untersuchten. Sie sagt voraus, dass diese Teilchen aus experimenteller Sicht den Vorteil haben sollten, schwach mit Materie zu interagieren, was es möglich macht, sich Experimente zur Überprüfung ihrer Existenz vorzustellen. Die Möglichkeit, Weicheier nachzuweisen, hängt von zwei unbekannten Parametern ab, der Masse des Weicheiers und dem Wirkungsquerschnitt, also der Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung mit einem Atomkern.
In 25 Jahren wurde die Empfindlichkeit von Experimenten um mehrere Größenordnungen verbessert. Wenn jedoch keine Spur dunkler Materie entdeckt wurde, sind die Instrumente nun in der Lage, ein seltenes Phänomen zu beobachten: kohärente elastische Diffusion zwischen Neutrinos und Kernen (CEvNS, z kohärente elastische Neutrinokernstreuung). Der Begriff „kohärent“ bedeutet hier, dass das Neutrino mit dem Kern als Ganzem interagiert und nicht mit einem der Protonen oder Neutronen, aus denen es besteht. Dieser Prozess wurde erstmals 2017 in einem Experiment an einem Teilchenbeschleuniger im amerikanischen Oak Ridge-Labor entdeckt.
Neutrinos interagieren nur sehr schwach mit Materie, aber die Sonne erzeugt einen kolossalen Strom davon: Auf der Erde werden wir von etwa 64 Milliarden Neutrinos pro Sekunde und pro Quadratzentimeter durchquert. Um eine Vorstellung zu geben: Von allen Neutrinos, die Ihren Körper passieren, interagiert nur eines pro Woche mit einem Ihrer Atome. Um solch einen winzigen Effekt zu messen, sind Experimente wie z PandaX-4T et XENONnT sind mit Tanks ausgestattet, die mit mehreren Tonnen flüssigem Xenon gefüllt sind und von einer Vielzahl hochempfindlicher Detektoren umgeben sind.
Das Team von XENONnT analysierte 300 Tage an Daten (gesammelt zwischen 2021 und 2023). „Dank eines Algorithmus der künstlichen Intelligenz haben wir 37 vielversprechende Ereignisse identifiziert“, erklärt Luca Scotto Lavina vom LPNHE (Labor für Kernphysik und Hochenergie) in Paris. „Dann haben wir festgestellt, dass 26 davon auf Hintergrundgeräusche zurückzuführen sind, während die anderen 11 wahrscheinlich CEvNS sind. » Genauer gesagt vermuten Physiker aufgrund der Energie und Anzahl dieser Ereignisse, dass sie durch Neutrinos verursacht wurden, die beim Beta-Zerfall von Bor-8 entstehen. Letztere entstehen bei Fusionsreaktionen im Herzen der Sonne. Die Ergebnisse von PandaX-4T bestätigen die von XENONnT. Das chinesische Team erhält mehr Veranstaltungen, allerdings auf Kosten von mehr Hintergrundgeräuschen.
Aus statistischer Sicht erreichen diese Ergebnisse noch nicht (knapp) die „Drei-Sigma“-Schwelle (was einem Risiko von weniger als 0,3 % entspricht, dass dieses Ergebnis auf eine statistische Schwankung des Grundrauschens zurückzuführen ist). Da es sich jedoch um ein theoretisch vorhergesagtes Phänomen handelt, sind die Forscher von der Realität ihrer Entdeckung überzeugt.
Dieser Durchbruch wirft eine entscheidende Frage auf. Wenn ein Neutrino mit einem Atomkern interagiert, löst es bei diesem einen winzigen Rückstoß aus. Diese Bewegung wird von den Instrumenten des Experiments erfasst. Dies ist jedoch die gleiche Art von Rückstoß, die wir erwarten, wenn ein Weichei auf einen Xenonkern trifft. Wenn also dunkle Materie aus Weicheiern besteht und ihre Wechselwirkungen mit Materie seltener sind als die von Neutrinos, besteht dann nicht die Gefahr, dass diese Ereignisse im Nebel der Neutrinos untergehen? Fachleute befürchten seit langem, dass diese Situation die zukünftige Entdeckung dunkler Materie unmöglich machen würde. Aber zwei Faktoren können den Forschern dabei helfen, dies zu erreichen. Erstens könnten die Energiespektren von Weicheiern und Neutrinos unterschiedlich sein, aber es ist nicht sicher, ob dieser Unterschied ausreicht, um ausgenutzt zu werden. Die andere Lösung ist vielleicht interessanter. „Die Weicheier, die wir verfolgen, gehören zu einem Halo, der die gesamte Milchstraße umfasst“, erklärt Luca Scotto Lavina. Während sich die Sonne durch die Milchstraße bewegt, induziert diese Bewegung eine Art „Wind“ aus dunkler Materie mit einer bestimmten Richtung. Dieser Schwächlingsstrom im Detektor wird dann durch die Bewegung der Erde um die Sonne moduliert. Sein Maximum ist im Juni, wenn sich die Erde in die gleiche Richtung wie die Sonne bewegt (und sein Minimum im Dezember, wenn sich die Erde in die entgegengesetzte Richtung bewegt). Bei Neutrinos ist der Fluss am größten, wenn die Erde der Sonne am nächsten ist, also im Januar. Diese beiden Modulationen sind um sechs Monate versetzt, ein Unterschied, der messbar sein dürfte. »
Doch wenn die Physiker die Empfindlichkeit weiter erhöhen und in den Neutrinonebel eintauchen wollen, müssen sie eine andere Lösung finden: die Entwicklung von Detektoren, die in der Lage sind, die ursprüngliche Richtung der Teilchen vor der Kollision zu bestimmen. Die Idee wäre also, sagen zu können, ob die Richtung des Teilchens der des Weicheierwinds oder dem Sonnenfluss der Neutrinos entspricht. Die Erlebnisse PandaX-4T et XENONnT kann diese Informationen nicht messen. „Im Moment werden verschiedene Techniken zur Bestimmung der Richtung des Teilchens erforscht, aber keine kann die Empfindlichkeiten erreichen, die zum Nachweis von Neutrinos erforderlich sind“, betont Luca Scotto Lavina. Für die nächste Generation von Detektoren ist noch erhebliche Entwicklungsarbeit nötig, will sie nicht im Nebel untergehen …
