The PICO-40L detector

Seit Jahrzehnten wissen Astronomen, dass das Universum mit etwas Unsichtbarem gefüllt ist. Wir können es nicht sehen, und es leuchtet nicht, doch seine Schwerkraft hält Galaxien zusammen und formt den Kosmos. Diese unsichtbare Substanz wird als Dunkle Materie bezeichnet. Während wir wissen, dass sie existiert, wissen wir nicht, woraus sie besteht. Eine führende Theorie besagt, dass sie aus massiven Teilchen besteht, die nur selten mit normaler Materie interagieren, bekannt als schwach wechselwirkende massive Teilchen oder WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Wenn diese Teilchen existieren, sollten sie gelegentlich mit den Kernen von Atomen in einem Detektor auf der Erde zusammenstoßen und so einen winzigen Energieblitz erzeugen. Die Herausforderung besteht darin, dass diese Kollisionen unglaublich selten sind und Signale erzeugen, die so schwach sind, dass sie leicht vom natürlichen Hintergrundrauschen, wie etwa der Strahlung von Gesteinen oder kosmischen Strahlen, überlagert werden. Um sie zu finden, müssen Wissenschaftler Detektoren tief unter der Erde bauen, geschützt durch Kilometer von Gestein, und Materialien verwenden, die so rein sind, dass sie selbst keine Strahlung aussenden.

Ein Forscherteam, bekannt als die PICO-Kollaboration, hat einen neuen Detektor gebaut, um nach diesen schwer fassbaren Teilchen zu suchen, und einen detaillierten Bericht über dessen Design und die frühe Leistungsfähigkeit veröffentlicht. Der Detektor namens PICO-40L ist eine große Blasenkammer, die zwei Kilometer unter der Erde in einem Bergwerk in Sudbury, Kanada, liegt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Detektoren, die feste Kristalle oder Flüssigkeitstanks verwenden, nutzt diese Maschine eine spezielle Flüssigkeit namens Octafluorpropan, die in einem Zustand gehalten wird, in dem sie bereit ist zu sieden, aber durch Druck zurückgehalten wird. Wenn ein Teilchen auf ein Atom in dieser Flüssigkeit trifft, setzt es eine winzige Menge Energie frei, was die Bildung einer kleinen Blase verursacht. Die Maschine ist so konzipiert, dass sie die winzige Energiedeposition einer Kollision mit Dunkler Materie detektieren kann, während sie die viel größeren Energiedepositionen anderer Arten von Strahlung ignoriert, die keine Blasen erzeugen.

Der PICO-40L-Detektor stellt eine bedeutende Weiterentwicklung in der Art und Weise dar, wie diese Blasenkammern gebaut werden. Frühere Versionen des Experiments verwendeten ein Design, bei dem die Zielflüssigkeit auf einer Pufferflüssigkeit saß, getrennt durch einen einzelnen Behälter. Dieser ältere Aufbau erzeugte eine Grenze zwischen zwei verschiedenen Flüssigkeiten, was manchmal Fehlsignale verursachen konnte. Der neue PICO-40L verwendet eine völlig andere Anordnung, die das Team als „Right-Side-Up“-Design (richtige-oben-herum-Design) bezeichnet. In dieser Konfiguration wird die Zielflüssigkeit in einem doppelwandigen Glasgefäß gehalten, das am Boden der Kammer sitzt, wobei sich das Drucksystem anstelle oben darunter befindet. Diese Änderung entfernt die Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten und verlagert die mechanischen Teile, die Rauschen erzeugen könnten, in eine kühlere, inaktive Zone. Das Ergebnis ist eine sauberere Umgebung, in der der Detektor weniger wahrscheinlich durch Hintergrundrauschen getäuscht wird.

Um den Detektor korrekt zu betreiben, musste das Team ein schwieriges thermisches Problem lösen. Die Flüssigkeit innerhalb der Kammer muss gleichzeitig auf zwei verschiedenen Temperaturen gehalten werden. Das Hauptvolumen, in dem die Suche nach Dunkler Materie stattfindet, muss warm genug gehalten werden, um bereit zur Blasenbildung zu sein, typischerweise etwa dreizehn Grad Celsius. Der untere Teil des Gefäßes jedoch, wo sich die Rohre und mechanischen Dichtungen befinden, muss viel kälter sein, etwa minus zweiundzwanzig Grad Celsius. Wenn der untere Teil zu warm wird, könnte die Flüssigkeit dort von selbst anfangen zu sieden, was Blasen erzeugt, die wie Signale Dunkler Materie aussehen, aber eigentlich nur thermisches Rauschen sind. Die Forscher bauten ein komplexes System aus Kühlspulen und Heizplatten, um diese zwei unterschiedlichen Temperaturzonen aufrechtzuerhalten, um sicherzustellen, dass Blasen nur im aktiven Bereich entstehen, in dem die Kameras sie sehen können.

Der Detektor ist mit einem hochentwickelten System ausgestattet, um Blasen zu beobachten. Vier Hochgeschwindigkeitskameras sind um die Kammer montiert und fotografieren die Flüssigkeit aus verschiedenen Winkeln. Wenn eine Blase entsteht, erfassen die Kameras ihr Wachstum, wodurch die Wissenschaftler genau berechnen können, wo sie entstanden ist und wie groß sie wurde. Neben den Kameras nutzt die Maschine zwölf winzige Mikrofone, sogenannte piezoelektrische Wandler, die gegen die Außenseite des Glasgefäßes gepresst sind. Diese Mikrofone lauschen dem Geräusch der Blasenbildung. Verschiedene Arten von Teilchen erzeugen unterschiedliche akustische Signaturen; beispielsweise erzeugen Alphateilchen, die eine häufige Quelle des Hintergrundrauschens sind, eine deutlich andere akustische Signatur als das leise Ploppen eines Kandidaten für Dunkle Materie. Durch die Kombination der visuellen Daten von den Kameras mit den Akustikdaten von den Mikrofonen kann das Team zwischen einem echten Signal und einem Fehlalarm unterscheiden.

Die Forscher testeten den Detektor mit zwei Hauptläufen. Zuerst führten sie einen Kalibrierungstest mit einer Neutronenquelle durch, um die Art von Kollisionen zu simulieren, die sie hoffen zu finden. Später führten sie eine lange Kommissionsierungsphase ohne externe Quelle durch, indem sie einfach abwarteten, was natürlich geschah. Während dieser Tests arbeitete der Detektor stabil und konnte erfolgreich zwischen einzelnen Blasen in der Flüssigkeit und unerwünschten Ereignissen wie Blasen, die an den Wänden des Gefäßes entstehen, oder der Bildung mehrerer Blasen gleichzeitig unterscheiden. Das Team stellte fest, dass das neue Design das Hintergrundrauschen, das frühere Versionen belastete, effektiv unterdrückte. Sie berechneten, dass der Detektor sehr wenige Fehlsignale aus natürlicher Radioaktivität oder kosmischen Strahlen sehen sollte, wobei das verbleibende Haupthintergrundrauschen von einer seltenen Wechselwirkung mit Neutrinos erwartet wird, einem subatomaren Teilchen, das nahezu unmöglich abzuschirmen ist.

Obwohl der Detektor noch kein Teilchen Dunkler Materie gefunden hat, bestätigt das Paper, dass das neue Design wie vorgesehen funktioniert. Der PICO-40L hat erfolgreich demonstriert, dass die „Right-Side-Up“-Geometrie zuverlässig arbeiten kann, indem sie die Zielflüssigkeit im Zentrum überhitzt hält, während sie die Rohrleitungen kalt und ruhig hält. Dieser Erfolg ebnet den Weg für die nächste Generation des Experiments, einen viel größeren Detektor namens PICO-500, der derzeit im Bau ist. Indem sie bewiesen haben, dass dieses neue Design die erforderliche extreme Sensibilität für die Jagd auf Dunkle Materie bewältigen kann, hat die PICO-Kollaboration eine große Hürde bei der Suche nach der unsichtbaren Substanz überwunden, die den Großteil der Materie in unserem Universum ausmacht.