Measurement of the Ar specific activity in atmospheric argon with DArT at the Canfranc Underground Laboratory
Unter Verwendung des DArT-Detektors im Canfranc Underground Laboratory bestimmten Forscher die spezifische Aktivität von Ar in atmosphärischem Argon mit , was die präziseste Bestimmung bis dato darstellt und den Detektor für zukünftige Dunkle-Materie-Experimente validiert.
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Tief unter der Erdoberfläche, in einem stillen Laboratorium, das in die Pyrenäen in Spanien gehauen wurde, hören Wissenschaftler auf das leiseste Flüstern des Universums. Sie suchen nach Dunkler Materie, der unsichtbaren Substanz, die den Großteil der Masse im Kosmos ausmacht, sich aber weigert, mit Licht zu interagieren. Um einen Blick auf sie zu erhaschen, verwenden Forscher Tanks, die mit flüssigem Argon gefüllt sind – einem Edelgas, das kurz aufleuchtet, wenn es von einem Teilchen getroffen wird. Dieses Leuchten dient als Signal, ein Lichtblitz, der einem Detektor mitteilt, dass eine Kollision stattgefunden hat. Es gibt jedoch ein Problem mit dem Argon, das wir atmen. Das in unserer Atmosphäre vorkommende Argon enthält eine winzige Menge eines radioaktiven Isotops namens Argon-39. Dieses Isotop wirkt wie ein konstantes, niederfrequentes statisches Rauschen, das Elektronen aussendet, die genau jene Signale imitieren können, nach denen die Wissenschaftler suchen. Um das leise Flüstern der Dunklen Materie zu hören, müssen sie genau wissen, wie laut dieses Rauschen ist, und sie müssen eine Argonquelle finden, die völlig frei davon ist.
Ein Forschungsteam führte vor kurzem eine präzise Messung durch, um genau zu bestimmen, wie viel dieses radioaktiven Rauschens in atmosphärischem Argon existiert. Sie verwendeten einen kleinen, hochempfindlichen Detektor namens DArT, der in einem Kryostaten sitzt, der mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist, um das Argon kalt und flüssig zu halten. Das Experiment wurde so sauber wie möglich konzipiert und nutzte einen einzigartigen Referenzpunkt: eine Probe „unterirdischen Argons“. Dieses spezielle Gas wurde aus tiefen Brunnen in Colorado extrahiert, wo es seit Millionen von Jahren von der Atmosphäre isoliert ist, was bedeutet, dass es fast kein radioaktives Argon-39 mehr enthält. Durch den Vergleich des Rauschpegels im atmosphärischen Argon mit dem nahezu lautlosen unterirdischen Argon konnte das Team die spezifische Aktivität des radioaktiven Isotops mit beispielloser Genauigkeit messen.
Die Forscher füllten ihren Detektor zuerst mit dem atmosphärischen Argon und anschließend mit der unterirdischen Probe. Im Inneren des Detektors fungiert das flüssige Argon sowohl als Quelle der Strahlung als auch als Medium, das das Licht einfängt. Wenn ein Argon-39-Atom zerfällt, setzt es ein Elektron frei, das einen Lichtblitz erzeugt. Der Detektor, der mit hochempfindlichen Lichtsensoren ausgestattet ist, zählt diese Blitze. Da das unterirdische Argon eine so geringe Radioaktivität aufweist, diente es als perfekter Hintergrundreferenzwert. Das Team musste sich nicht auf komplexe Computersimulationen verlassen, um zu erraten, wie das Hintergrundrauschen aussehen sollte; sie konnten einfach das Signal der unterirdischen Probe vom Signal der atmosphärischen Probe subtrahieren. Dieser direkte Vergleich eliminierte viele der Unsicherheiten, die solche Messungen normalerweise plagen.
Die Studie lieferte eine sehr präzise Zahl für die spezifische Aktivität von Argon-39 in der Atmosphäre: 0,955 Zerfälle pro Sekunde pro Kilogramm Argon. Dieses Ergebnis ist konsistent mit früheren Messungen, aber signifikant präziser, wobei die Unsicherheit im Vergleich zu den bisherigen besten Daten um den Faktor drei reduziert wurde. Die Forscher bestätigten dieses Ergebnis mit zwei verschiedenen Methoden: einer einfachen Zähltechnik und einer komplexeren statistischen Analyse des Energiespektrums. Beide Ansätze führten zum selben Ergebnis, was die Zuverlässigkeit des Resultats untermaute. Sie überprüften auch sorgfältig andere Störquellen, wie etwa Stickstoffleckagen oder andere radioaktive Verunreinigungen, und stellten fest, dass ihr Detektor während der langen Datenerfassungsperioden stabil und rein blieb.
Diese Messung ist ein entscheidendes Puzzleteil für zukünftige Experimente, die darauf abzielen, Dunkle Materie aufzuspüren. Projekte wie DarkSide-20k und LEGEND-1000 planen, hunderte Tonnen flüssiges Argon zu verwenden, um nach Teilchen der Dunklen Materie zu suchen. Damit diese massiven Detektoren funktionieren, müssen sie Argon verwenden, das gereinigt wurde, um das radioaktive Argon-39 zu entfernen. Zu wissen, wie hoch der exakte Ausgangsgehalt an Radioaktivität im rohen atmosphärischen Gas ist, ermöglicht es den Wissenschaftlern zu berechnen, wie viel Reinigung erforderlich ist, und das Hintergrundrauschen in ihren endgültigen Experimenten mit Zuversicht vorherzusagen. Der Erfolg des DArT-Detektors bei diesem Test validiert auch die Technologie, die in den größeren unterirdischen Anlagen verwendet werden soll, und beweist, dass die Sensoren und Kryosysteme in der Lage sind, unter den harten Bedingungen, die für diese Tiefraumuntersuchungen erforderlich sind, zuverlässig zu arbeiten.
Die Ergebnisse haben auch Auswirkungen über die Teilchenphysik hinaus. Argon-39 wird zur Datierung von Grundwasser und Eis verwendet, was Wissenschaftlern hilft, die Klimageschichte und die Wasserbewegung über Zeiträume von Jahrzehnten bis zu tausend Jahren zu verstehen. Die Unsicherheit in der atmosphärischen Aktivitätsrate beeinflusst direkt die Genauigkeit dieser Datierungen. Indem sie diesen Wert mit einer solchen Präzision festlegten, haben die Forscher eine zuverlässigere Referenz für die Datierung junger Wasserproben bereitgestellt. Die Arbeit zeigt, dass Wissenschaftler durch einen einfachen, direkten Vergleich zwischen zwei Gasproben – einer verrauschten und einer leisen – das Rätselraten ausschalten und die wahre Natur der Materialien enthüllen können, aus denen unsere Welt und das Universum jenseits davon bestehen.
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