Tief in einer Mine in Minnesota sitzen 5 Türme mit speziellen Germaniumdetektoren und suchen nach dem – so es denn existiert – am schwersten zu detektierenden Teilchen das die Menschen je gesucht haben. Die Suche nach der unbekannten Dunklen Materie. Dies ist eine Materiform, deren Auswirkungen wir kennen, aber von der wir nicht wissen was sie ist. Bei Florian kann man mehr zum Nachweis nachlesen.

Hier nur nochmal soviel: Dunkle Materie hat man zunächst postuliert, weil man festgestellt hat dass die sichtbare Materie im Universum zu gering ist um die beobachtbaren Auswirkungen durch Gravitation zu erklären. Man braucht mehr Materie – sogar viel mehr als es sichtbare gibt. Aber diese Materie kann nicht mit Licht interagieren – daher das “dunkel”. Der beste Nachweis für die Existenz die Untersuchung des Bullet-Clusters.

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Credit: X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al.; Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.; Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.

Man hat zwei Galaxienhaufen nach einer Kollision untersucht. Der rote Bereich zeigt normale Materie, das Gas zwischen den Galaxien das durch die Kollision aufgeheizt wurde und Röntgenlicht abstrahlt. Blau zeigt Untersuchungen der Verteilung der Gravitation durch den Gravitationslinsen-Effekt. Die Bereiche sind nicht gleich – im blauen Bereich, aus dem man kein Röntgenlicht beobachtet, muss sich Materie befinden.

Was ist das? Eine der beliebtesten Ideen sind die Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs), also Teilchen die zwar Masse tragen aber äußerst ungern mit Materie reagieren. Auch Neutrinos reagieren fast nie und man braucht riesige Detektoren um mal ein paar zu finden. Aber Neutrinos haben auch fast keine Masse, daher nutzt man diesen Unterschied für die Suche nach WIMPs.

Aufregung in der Physikwelt

Gerade im Moment schaut die Physikwelt auf Vorträge, die gerade parallel stattfinden und in denen die CDMS-Kollaboration Ergebnisse ihrer Suche nach WIMPs vorstellt. Seit das Blog Resonaances die Gerüchteküche angeheizt hat brummt es so richtig. Gleichzeitig angesetzte Vorträge, keine Vorabinformation, Ankündigung eines Papers im arXiV (Gerüchte um ein Erscheinen bei Nature haben sich nicht bestätigt). Was heißt das? Erste Anzeichen für Messungen von WIMPs? Die Erwartungen sind hoch, aber realistisch. Vermutlich erste Signale, noch keine ausreichende Statistik, und wenn überhaupt wird man weiter messen müssen und die Messungen in weiteren Experimenten bestätigen – aber Himmel, Dunkle Materie messen wäre die Physik-Sensation des Jahres!

Das Experiment CDMSII ist tief in der Soudan-Mine in Minnesota. Mit dieser Art Experiment, wie auch zum Nachweis von Neutrinos, muss man tief unter die Erde gehen um möglichst wenig Hintergrund zu haben. Und dann hofft man, zu messen, den Hintergrund den man dennoch hat abzuziehen und – mit Glück – etwas übrig zu haben. Das sollten WIMPs sein!
WIMP ist eine Kategorie, aber ein beliebter Kandidat sind supersymmetrische Teilchen. Supersymmetrie ist eine theoretische Erweiterung des Standardmodells, bei der jedem Boson (den Übermittlern der Kräfte) ein Fermion (die Bausteine der Materie) zugeordnet wird und umgekehrt. Das leichteste Teilchen wäre das Neutralino, eine Superposition der Partner des Higgs und der Vektorbosonen die Kräfte tragen. Dieses könnte ein WIMP sein.

Wer sucht…

So funktionieren die Detektoren bei CDMS: Man nimmt einen Germaniumkristall und kühlt ihn sehr weit ab, bis kurz über dem absoluten Nullpunkt. Denn man möchte keine Wärme. Wärme bedeutet Bewegungen der Atome, und Atome in einem Kristallgitter die sich bewegen lösen Schwingungen aus die durch den Kristall wandern. Die möchte man aber vermeiden so gut es geht. Warum? Weil man möchte dass WIMPs gegen Atome im Gitter stoßen und diese Atome quasi anrempeln. Das kann ganz selten mal passieren, wir sprechen von weniger als 0.01 Events pro Tag pro Kilogramm Detektor. Wenn es aber passiert, dann wackelt das Atom ein bißchen, und da man so stark kühlt hat man eine Chance diese Schwingung die daraus entsteht zu finden. Im Bild sieht man einen Detektor:

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Aber das was man obendrauf sieht, diese Schicht, ist der Detektor für die Schwingungen der auf 250g schweren Kristallen sitzt. Ich vermute (!), jedes Kästchen in der Schicht sitzt auf einem Kristall. Diese Schicht ist supraleitend, das heißt hier finden sich Paare von Elektronen zusammen (Cooper-Paare), die gemeinsam stark sind, und sich bei tiefen Temperaturen nicht so leicht aufbrechen lassen. Daher können sie ungestört wandern, denn eigentlich sind es vor allem diese Schwingungen die sie stören. Kommt jetzt aber aus dem Germaniumkristall eine Schwingung, die von einem angerempelten Atom ausging, dann kann die ausreichen um die Supraleitung zu stören. Die Detektorschicht wird ganz knapp an der Grenze der Supraleitung gehalten, wenn es jetzt zu einem Aufbrechen der Elektronenpaare kommt, wird plötzlich der elektrische Widerstand sprunghaft einsetzen – und das kann man natürlich messen.

…der findet?

JA! Man hat anscheinend! Aber wie erwartet, noch nicht genug Statistik, keine Wiederholung des Experimentes, also noch keine solide Physik, aber die Becker-Faust hab ich trotzdem gerade geballt!
Florian hat mir jetzt der Verkündung schon vor der Nase weggeschnappt, aber anscheinend hat man dort, wo statistisch 0.8 Ereignisse erwartet, 2 gemessen.

Ok, jetzt also nochmal die rationale Bewertung: Wir haben Anzeichen dafür, dass wir 2mal etwas gemessen haben könnten, das Dunkle Materie sein könnte. Mit also ganz viel Konjunktiv kann man festhalten, dass wir geduldig sein müssen bevor wir mehr sehen, aber immerhin die Augen offen lassen können.
Das Paper dazu wird wohl morgen ins arXiV kommen, also bleibt dran – jetzt muss ich aber pennen gehen.

/Edit 00:14: Die Wahrscheinlichkeit, richtig zu liegen wird mit 75% angegeben, siehe Nature News.

Kommentare (5)

  1. #1 walim
    12/18/2009

    Ich staune mal wieder, was man so messen kann.

  2. #2 masion
    12/18/2009

    was wäre denn wnn es keine dunkle mateie ist? wurde dann ein anderes teilchen detektiert oder handelt es sich dann um einen messfehler oder was kann noch alles die messung beeinflussen? wie kommen denn eigentlich die 0,8 ereignisse zustande?

  3. #3 Gluecypher
    12/18/2009

    @masion

    Naja, man hat zuerst mal alle möglichen Störungen, zum Beispiel Events durch natürliche Radioaktivität in der Erdkruste, dann kommen noch ein paar Neutrinos dazu, unsicherheiten durch thermisches Rauschen (auch bei solchen tiefen Temperaturen, vor allem, wenn man nahe an der Spruntemperatur arbeitet) etc. Der Trick dabei ist, diese Störungen alle sicher ‘rauszufiltern, und das stelle ich mir enorm schwierig vor. Und die 0,8 kommen aus dem Standardmodell, wobei ich da auch noch vorsichtig wäre. Ich habe eigentlich mal gelernt, dass man Signale nur dann als solche bezeichnen sollte, wenn der Peak 3fach über dem Grundrauschen liegt. Und 0,8 x 3 ist bei mir 2,4. Also für ein “confirmed” hätte ich gerne 3 oder mehr Ereignisse.

  4. #4 Jörg
    12/18/2009

    @Gluecypher: Neutrinos eher nicht, da die kaum Impuls übertragen können. Aber es ist wohl so, dass Neutronen ähnliche Ereignisse verursachen können, z.B. zufällige Reste der Hintergrundstrahlung.

    @masion: Wie man auf die 0,8 kommt kann ich noch nicht sagen, muss auf das Paper warten und es lesen.

  5. #5 Florian Freistetter
    12/18/2009

    @Jörg: Das Paper dazu gibts hier: http://cdms.berkeley.edu/0912.03592v2.pdf