The detector system of the SHiP/NA67 experiment at CERN

In der weiten Landschaft der modernen Physik wissen Wissenschaftler schon lange, dass das Standardmodell der Teilchenphysik zwar unglaublich erfolgreich, aber unvollständig ist. Es kann nicht erklären, warum das Universum aus Materie statt Antimaterie besteht, noch kann es die unsichtbare Substanz erklären, die als Dunkle Materie bekannt ist. Jahrzehntelang war die primäre Strategie zur Suche nach neuer Physik der Bau von Maschinen, die Teilchen mit immer höheren Energien zusammenstoßen lassen, in der Hoffnung, schwere, unbekannte Teilchen zu erzeugen. Es gibt jedoch eine andere Möglichkeit, die bisher unentdeckt geblieben ist: Teilchen, die leicht sind, aber so schwach mit gewöhnlicher Materie interagieren, dass sie direkt durch unsere Detektoren gleiten. Diese sind als schwach wechselwirkende Teilchen (feebly interacting particles) bekannt. Da sie so schwer zu fangen sind, erfordert ihr Nachweis einen anderen Ansatz. Anstatt nach seltenen, hochenergetischen Kollisionen zu suchen, müssen Wissenschaftler eine enorme Anzahl von Teilchen erzeugen und darauf warten, dass die seltenen Teilchen in etwas Sichtbares zerfallen. Dieser Wechsel von der Suche nach dem Schweren zum Aufspüren des Flüchtigen ist der Kern der Intensitätsfront (intensity frontier), einer neuen Richtung in der Physik, die auf Volumen und Präzision statt auf roher Gewalt beruht.

Am Forschungszentrum CERN in der Schweiz bereitet ein Team von Physikern vor, diesen Vorstoß mit einem Experiment namens SHiP, auch bekannt als NA67, anzuführen. Das Ziel ist der Bau einer spezialisierten Anlage, die in der Lage ist, einen massiven Strom von Protonen zu erzeugen und diese zu nutzen, um einen verborgenen Sektor von Teilchen zu erschaffen, die die tiefsten Geheimnisse des Universums erklären könnten. Das Team hat kürzlich das Design des Detektorsystems detailliert beschrieben, das diese Suche ermöglichen wird. Dieses System ist keine einzelne Maschine, sondern eine komplexe Anordnung verschiedener Instrumente, von denen jedes darauf ausgelegt ist, ein spezifisches Problem zu lösen: wie man eine saubere Umgebung schafft, in der ein schwaches Signal vor einem Hintergrund von überwältigendem Rauschen gesehen werden kann. Das Experiment soll seine ersten physikalischen Läufe im Jahr 2032 beginnen, und das in der Arbeit vorgestellte Design stellt den Höhepunkt jahrelanger Planung dar, um sicherzustellen, dass die Detektoren bereit sind, die ersten Anzeichen neuer Physik einzufangen, wenn der Strahl eingeschaltet wird.

Das Experiment beginnt mit einem Strahl von Protonen, die mit hoher Geschwindigkeit in ein Target aus reinem Wolfram geschossen werden. Dieses Target ist so effizient wie möglich konzipiert, um beim Aufprall der Protonen eine Schauer von neuen Teilchen zu erzeugen. Um die intensive Hitze zu bewältigen, die bei diesem Prozess entsteht, wird das Target durch hochdruckführendes Heliumgas gekühlt, das durch Schlitze in den Metallblöcken zirkuliert. Unmittelbar hinter dem Target befindet sich ein leistungsstarker Magnetabschirm, eine Kette von Magneten, die wie ein riesiger Filter wirkt. Seine Aufgabe ist es, die überwiegende Mehrheit der Myonen – die schweren Cousins des Elektrons – auszusondern, die bei der Kollision entstehen. Ohne diesen Schild würden diese Myonen den Rest des Experiments überfluten und ein Hintergrundrauschen erzeugen, das so laut wäre, dass jedes neue Signal übertönt würde. Der Schild reduziert die Anzahl der Myonen um den Faktor eine Million und hinterlässt so einen viel ruhigeren Pfad für die Teilchen, an denen die Wissenschaftler tatsächlich interessiert sind.

Sobald die Myonen herausgefiltert wurden, treten die verbleibenden Teilchen in einen langen, leeren Tunnel ein, der mit Heliumgas gefüllt ist. Dies ist das Zerfallsvolumen, ein fünfzig Meter langer Raum, in dem die schwach wechselwirkenden Teilchen, sofern sie existieren, erwartet werden, sich zu bewegen und schließlich in gewöhnliche Materie zu zerfallen, die detektiert werden kann. Da die Teilchen nur sehr schwach wechselwirken, können sie diese gesamte Distanz zurücklegen, ohne irgendet etwas zu treffen. Das Helium im Inneren wird in einem dünnen Polymerballon gehalten, um jegliche Chance zu minimieren, dass die Teilchen vor dem Zerfall mit Gasatomen kollidieren. Den gesamten Tunnel umgibt eine hochentwickelte Wand aus Sensoren, der sogenannte Hintergrund-Tagger (background tagger). Diese Wand ist mit einer speziellen Flüssigkeit gefüllt, die leuchtet, wenn ein geladenes Teilchen sie durchquert. Ihr Zweck ist es, jegliche Streupartikel abzufangen, die von den Seiten eindringen oder mit den Wänden des Tunnels selbst interagieren könnten. Wenn ein Signal im Zentrum des Tunnels exakt zum gleichen Zeitpunkt erscheint, an dem ein Teilchen die Wand trifft, weiß das System, dass es sich nur um Hintergrundrauschen handelt, und ignoriert es. Dieses System ist so präzise, dass es zwischen einem echten Ereignis und einem vorgetäuschten Ereignis mit einer Zeitgenauigkeit von einer Milliardstel Sekunde unterscheiden kann.

Am Ende des Tunnels sucht das Experiment nach den Trümmern etwaiger Zerfälle, die innerhalb des Volumens stattgefunden haben. Hier kommt der Hidden-Sector-Spektrometer ins Spiel. Es ist ein großes Tracking-System, bestehend aus tausenden dünnen, strohähnlichen Röhren, die mit Gas gefüllt sind. Wenn geladene Teilchen durch diese Strohhalme fliegen, hinterlassen sie eine Spur elektrischer Signale, die es den Wissenschaftlern ermöglichen, den Pfad des Teilchens mit extremer Präzision zu rekonstruieren. Ein großer Magnet biegt diese Pfade, was den Wissenschaftlern hilft, den Impuls und die Identität der Teilchen zu bestimmen. Dem Tracker folgt ein Zeitdetektor aus Szintillationsstäben, der als Stoppuhr fungiert, um sicherzustellen, dass die beobachteten Teilchen tatsächlich aus dem Zerfallsvolumen stammen und nicht aus einer anderen Quelle. Schließlich treten die Teilchen in einen Kalorimeter ein, ein Gerät, das ihre Energie misst und identifiziert, um welche Art von Teilchen es sich handelt. Dieser letzte Abschnitt ist entscheidend, um zwischen verschiedenen Arten von Zerfällen zu unterscheiden, etwa solchen, die leichte Teilchen produzieren, gegenüber jenen, die schwerere Teilchen erzeugen.

Das gesamte System ist so konzipet, dass es ohne einen traditionellen Trigger arbeitet, was bedeutet, dass es Daten kontinuierlich aufzeichnet, anstatt auf ein spezifisches Signal zu warten, um die Aufnahme zu starten. Dies ist notwendig, da das Experiment über lange Zeiträume läuft und die Ereignisse von Interesse so selten sind, dass ein Standard-Trigger sie möglicherweise übersehen würde. Stattdessen wird das System jedes einzelne Datensegment mit einem Zeitstempel versehen, was es den Wissenschaftlern ermöglicht, Ereignisse später zu rekonstruieren, indem sie nach den Zeitfenstern suchen, in denen interessante Muster erscheinen. Das Design umfasst zudem einen separaten Detektor innerhalb des Myon-Schirms, um Neutrinos zu untersuchen – eine Art von Teilchen, die notorisch schwierig zu detektieren sind. Dieser Teil des Experiments zielt darauf ab, tausende von Neutrino-Wechselwirkungen zu beobachten, was eine Fülle von Daten darüber liefert, wie sich diese Teilchen verhalten.

Die Arbeit legt dar, dass das Design für das Target und den Myon-Schirm im Wesentlichen abgeschlossen ist, wobei Prototypen getestet wurden, um sicherzustellen, dass sie den harschen Bedingungen des Strahls standhalten können. Die Hintergrund-Tagger und der Spektrometer befinden sich derzeit in der Prototyping-Phase, wobei Tests laufen, um deren Leistungsfähigkeit zu bestätigen. Das Team ist zuversichtlich, dass die Detektoren bis zur Inbetriebnahme der Anlage im Jahr 2033 bereit sein werden, um nach diesen schwer fassbaren Teilchen mit weltweit führender Sensitivität zu suchen. Sollten die schwach wechselwirkenden Teilchen im Bereich der Massen und Kopplungen existieren, für die das Experiment konzipiert wurde, sollte das SHiP-Detektorsystem in der Lage sein, sie zu finden. Sollten sie nicht existieren, wird das Experiment die bisher strengsten Grenzen für ihre Existenz setzen und damit einen großen Teil der theoretischen Möglichkeiten für neue Physik ausschließen. Die Arbeit stellt ein sorgfältiges Gleichgewicht zwischen Ingenieurwesen und Physik dar, indem sie eine Maschine erschafft, die leise genug ist, um das leiseste Flüstern der verborgenen Geheimnisse des Universums zu hören.