Australien sucht "dunkle Materie" in tiefer Goldmine
Australien sucht "dunkle Materie" in tiefer Goldmine
Anonim

In den Tiefen einer Goldmine am Rande der kleinen viktorianischen Stadt Stowell, wenige Autostunden nordwestlich von Melbourne gelegen, wird ein Labor gebaut, um nach einer der schwer fassbaren Substanzen des Universums zu suchen – der Dunklen Materie.

Einen Kilometer unter der Erde gleicht das Labor eher einer Höhle von Tennisplatzgröße als einem Multi-Millionen-Dollar-Unternehmen. Dies liegt daran, dass sich das Labor – eine Partnerschaft zwischen der University of Melbourne, ANSTO, Swinburne und anderen – noch in der Entwicklung befindet. Aber wenn es erfolgreich ist, kann es helfen, eines der größten Geheimnisse der Astrophysik zu lösen.

„Dies ist eine kritische Zeit für uns“, sagte Phillip Urquiho, außerordentlicher Professor an der University of Melbourne, Teilchenphysiker und technischer Koordinator für ein Experiment mit dunkler Materie namens SABRE – Sodium Iodide with Active Background Rejection Experiment.

"Das Labor selbst soll bis Dezember fertig sein. Wir hoffen, dass wir bis November einen Teil unserer Versuchsausrüstung mitbringen können."

Dunkle Materie, von der angenommen wird, dass sie 85 % der Materie im Universum ausmacht, ist nicht leicht zu finden. Es ist bei keiner der Wellenlängen sichtbar, die üblicherweise zur Erkennung von Weltraumobjekten wie Gas und Staub verwendet werden. Darüber hinaus scheint es überhaupt nicht mit elektromagnetischen Kräften zu interagieren – das heißt, es absorbiert, reflektiert oder emittiert kein Licht.

Wissenschaftler wissen von seiner Existenz nur, weil Sterne, Galaxien und Galaxienhaufen eine zu starke Anziehungskraft ausüben, ohne dass es zusätzliche Erklärungen gibt, zum Beispiel, dass sich irgendwo ein Haufen dunkler Materie versteckt.

"Wenn wir es finden, ist es ein garantierter Nobelpreis", sagt ANSTOs leitender Berater für strategische Projekte, Dr. Richard Garrett. "Es ist wie [Gravitationswellen. Dies ist eine andere Sache, die 30-40 Jahre lang gesucht hat, bis diese riesigen Experimente (insbesondere das Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory) es schließlich nicht fanden."

Doch die Suche nach Dunkler Materie war bisher erfolglos. Bisher.

Unter unserer Nase

Forscher versuchen auf verschiedene Weise, Dunkle Materie auf der Erde zu entdecken.

Der erste Weg besteht darin, dunkle Materie einzufangen, die in etwas zerfällt, das wir detektieren können, wie Gammastrahlen oder Teilchen-Antiteilchen-Paare. Leider ist dunkle Materie nicht der einzige astronomische Prozess, der sie erzeugt, was dem Prozess eine weitere Komplexitätsebene hinzufügt.

Es gibt Detektoren wie SABRE, die versuchen, den Rückstoß von hypothetischen Teilchen der Dunklen Materie, die als schwach wechselwirkende massive Teilchen oder WIMPS bezeichnet werden, aus Quellen tief unter der Erde zu detektieren.

Aber jeder bisher gebaute Detektor hat nur Signale erkannt, die auf eine andere Ursache zurückgeführt werden könnten. Dunkle Materie bleibt unverständlich.

Mit einer Ausnahme. In den letzten 25 Jahren hat ein Detektor namens DAMA / LIBRA in den Laboratori Nazionali del Gran Sasso bei L'Aquila im Nordosten Italiens ein jährliches Muster in der Anzahl der aufgezeichneten Signale festgestellt. Er wird als "jährlicher Modulationseffekt" bezeichnet und könnte dadurch verursacht werden, dass sich die Erde in den Halo unserer Galaxie aus dunkler Materie hinein und aus ihm heraus bewegt.

„In diesen 25 Jahren haben [DAMA/LIBRA]-Daten gezeigt, dass dieser jährliche Modulationseffekt mit extrem, extrem hoher Sicherheit erreicht wird“, sagt Urquijo."Durch ihre Forschung und unabhängige Überprüfungen ihrer Forschung konnten sie die Hypothese der Dunklen Materie nicht ausschließen, um sie zu erklären."

Das italienische Labor war so etwas wie eine "weiße Krähe" in der Welt der Detektoren, da kein anderer Detektor ihre Ergebnisse reproduzieren konnte. Einer der Gründe dafür ist, dass das DAMA / LIBRA-Team spezielle Kristalle aus Natriumjodid verwendet hat. Sie waren die am stärksten radiogereinigten - das heißt mit einer sehr geringen Radioaktivität -, die jemals geschaffen wurden, und das Team hält diesen Rekord immer noch.

Zur Herstellung von Kristallen wird Natriumjodid-Pulver "Astrograd" verwendet - eine Verbindung mit geringer Radioaktivität, aber noch kein Kristall. Wenn Forscher einen Kristall aus einem Pulver züchten, verfangen sich normalerweise radioaktive Verunreinigungen aus der Umgebung in den Kristallen.

"Es ist eigentlich ein sehr komplexer und zeitaufwändiger F&E-Prozess, der eine sehr, sehr Nische ist", sagt Urquijo von crystals.

DAMA/LIBRA-Skeptiker glauben jedoch nicht, dass dies an der radioaktiven Reinheit der Kristalle liegt. Da dieses Muster jährlich erkannt wird, gehen sie davon aus, dass der Detektor diese Signaländerung nur im Zusammenhang mit den Jahreszeiten misst.

Hier kommt die Tatsache zum Tragen, dass wir uns auf der anderen Seite der Welt mit entgegengesetzten Jahreszeiten befinden.

„Wenn wir den gleichen Effekt wie sie sehen, wissen wir, dass dies kein saisonaler Effekt ist, sondern etwas Äußerliches“, sagt Urquiho. "Im Grunde werden wir beide dunkle Materie sehen."

Auch wenn es sich nicht um dunkle Materie handelt, wäre es immer noch etwas außerhalb der Erde, von dem Wissenschaftler noch nichts wissen, was fast so aufregend wäre, wie die Suche nach dunkler Materie. Aber zuerst müssen sie den Detektor fertigstellen.

Bisher haben sie die Natriumjodidkristalle noch strahlenreiner gemacht als die im DAMA/LIBRA-Experiment verwendeten - eine Leistung, die einen langen Forschungs- und Entwicklungsprozess zwischen Instituten auf der ganzen Welt erforderte.

ANSTO hat bereits Geräte zum Testen kleinster Strahlungsniveaus eingerichtet, und das Team testet alle ihre Materialien auf Radioaktivität, um sicherzustellen, dass alles so gering wie möglich ist. Um uns herum gibt es geringe Strahlungsmengen - selbst Bananen und Menschen sind zum Beispiel leicht radioaktiv. Daher muss das Team diese „normale“Radioaktivität begrenzen, damit sie den Betrieb des Detektors nicht beeinträchtigt.

„Wir haben alle Arten von Sand, Kies und Zementpulver aus ganz Australien gemessen, um die beste Betonmischung für den Bau zu finden“, sagt Garrett.

"Wir suchen tief unter der Erde nach sehr, sehr schwachen Signalen, aber es macht keinen Sinn, dies zu tun, wenn der Beton, den wir verwenden, radioaktiv ist."

Dann - der Standort. Die Arbeit in einer aktiven Goldmine hat viele positive Aspekte. Das Bergbauunternehmen kümmert sich um das gesamte Lüftungs- und Sicherheitsmanagement. Darüber hinaus können Minenarbeiter Wissenschaftler in speziell ausgestatteten Minenwagen durch lange, gewundene Tunnel bis ins Labor transportieren.

Aber diese Methode hat ihre Nachteile und Probleme. Der Bau des Labors verzögerte sich um fast drei Jahre, als das Bergwerk den Besitzer wechselte und zeitweise geschlossen wurde. Außerdem muss die Höhle alle acht Stunden geleert werden, damit die Bergleute nach Gold sprengen können.

In den Diagrammen sieht der SABRE aus wie ein Kronleuchter in einem Bottich, der in einem Metallgewölbe eingeschlossen ist. Der Detektor selbst ist ein Kronleuchter, der von der Oberseite des Bottichs hängt und mit 50 kg Kristallen aus radiogereinigtem Natriumjodid gefüllt ist, um kleinste Anzeichen von Strahlung zu erkennen.

Der Chan, den das Team Veto nennt, ist übersät mit Photomultipliern (unglaublich empfindlichen Lichtdetektoren) und enthält lineares Alkylbenzol, eine Flüssigkeit, die üblicherweise zur Herstellung von Detergenzien verwendet wird, aber in diesem Fall als "flüssiger Szintillator" verwendet wird, der mit Licht blinkt, wenn es trifft ihn Strahlung. Und es gibt auch ein vier Meter hohes Gewölbe, von dem selbst Urquiho sagen kann, dass es etwas zu viel ist: Der SABRE wird etwa 100 Tonnen Stahl enthalten, der das Experiment vor der Strahlung von Streupartikeln schützt, die alle möglichen Messungen verderben können.

„Wir hatten echte Paranoia wegen der Hintergrundstrahlung“, erklärt Urquijo. "Die Region mit der niedrigsten Radioaktivität, die auf der Südhalbkugel zu finden ist, befindet sich genau im Zentrum dieser Kristalle."

Doch nun sind die Teile des Detektors noch nicht in die Mine transportiert worden – stattdessen steht ein Teil der Ausrüstung für die Suche nach Dunkler Materie auf dem Parkplatz.

„Die University of Melbourne hat nicht viel Stauraum für Geräte, daher nutzen wir unsere ANSTO-Verbindung, um den Flüssigszintillator einfach auf dem Parkplatz zu platzieren“, sagt Urquijo.

Wenn der Detektor schließlich installiert ist, müssen Sie sich nur noch auf die Oberfläche setzen und auf die Ergebnisse warten. Aber bis dahin hat das Team etwas zu tun.

"Jedes Material kommt zu uns und wir messen seine Radioaktivität, um zu sehen, ob es gut genug ist", sagt Garrett.

"Es ist ein Wettlauf gegen die Zeit."

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