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Jagd auf Dunkle-Materie-Teilchen: die nächste Beinahe-Entdeckung, jetzt von EDELWEISS-II

25. März 2011

Man konnte es schon hier, hier und eben noch hier („Nachweis …“) lesen: Die Detektoren, die im Untergrund Teilchen der Dunklen Materie direkt nachzuweisen trachten, nähern sich einer Empfindlichkeit, bei der es passieren sollte. In den vergangenen 20 Jahren sind sie um einen Faktor 1000 besser geworden, und in den nächsten 10 dürfte es ein weiterer Faktor 100 sein: In 1, 5, 10 Jahren höchstens sollte sich ein eindeutiges Signal zeigen. Dem 2009-er Beinahe-Erfolg von CDMS hat sich gerade eine ebenfalls nicht signifikante Detektion von ein Handvoll Weakly Interacting Massive Particles durch EDELWEISS-II hinzu gesellt: „Five nuclear recoil candidates are observed above 20 keV, while the estimated background is less than 3.0 events.“ Beide Experimente arbeiten nun an einer gemeinsamen Auswertung ihrer Messungen, von der man allerdings nicht zu viel erwarten sollte: Die beiden WIMP-Kandidaten von CDMS hätten Energien von 12 und 15 keV und wären wohl nicht dasselbe wie die EDELWEISS-Kandidaten. Ein weiteres wichtiges Experiment ist XENON100, das bisher rein gar nichts sieht und damit zwei anderen Experimenten – DAMA und CoGeNT – widerspricht, die etwas zu sehen glauben.

Inzwischen hat sich dessen Datenmenge mindestens verzehnfacht, auch wenn es noch Ärger mit der Auswertung („Radioaktivitätsproblem …“) gibt. In den nächsten paar Jahren sollten sich die Widersprüche zwischen den Experimenten durch deren weitere Verbesserungen eigentlich auflösen (und endlich mal zwei mit unterschiedlicher Technik dieselbe Art Teilchen messen, das im Idealfall auch noch direkt mit dem LHC ‚hergestellt‘ werden kann) – aber es ist keineswegs ausgemacht, dass am Ende genau ein WIMP dingfest gemacht ist, das für alle astronomischen Effekte der Dunklen Materie verantwortlich zeichnet. Die ’normale‘ Materie ist schließlich kompliziert genug: Da kann es gut sein, dass das Dunkle Universum auch über verschiedene Teilchen verfügt. Wie auch immer: Wenn das oder die Teilchen erst einmal entdeckt sind, wird die nächste Generation von Detektoren ganz direkt ihren Eigenschaften nachspüren. Armengaud & al., Preprint 21., Nature News (in diesem 3-Seiten-Review wurde EDELWEISS glatt vergessen), Nature Blog 24.3.2011 sowie Aspera zu EDELWEISS und dem generellen Stand der Forschung. NACHTRAG: noch ’n dicker Review!

Feuer in der Soudan-Mine – Untergrund-Detektoren wohl nicht gefährdet: Ein Brand im Schacht zum Soudan Underground Laboratory in Minnesota am 17. März konnte rasch gelöscht werden, und wahrscheinlich ist den Experimenten in 700 m Tiefe zur DM-Jagd (CDMS sitzt hier) und anderer Fundamentalphysik nichts passiert. Das Labor – das zu dem Zeitpunkt menschenleer war – ist vom Rest des Ex-Bergwerks gut abgeschottet; allerdings musste die Kühlung von CMDS herunter gefahren werden, und es kann dauern, bis das Experiment wieder läuft. (Physics World 22., Nature Blog 21., Timberjay 17.3.2011) NACHTRAG: Nach einer ersten Besichtigung sind die Experimente im Labor unbeschädigt, aber es muss viel geputzt werden. Und CoGeNTs schöne Messreihe ist unterbrochen … NACHTRAG 2: … während man sich auch bei CDMS Sorgen macht. NACHTRAG 3: noch’n Nachzügler. NACHRTRAG 4: Den Experimenten ist nichts passiert, aber die Wiederinbetriebnahme dauert.

Hat das Tevatron Anzeichen „neuer Physik“ entdeckt?

Nur noch ein halbes Jahr darf der amerikanische Teilchenbeschleuniger laufen, bevor er im September abgeschaltet wird („Das Tevatron …“) – aber auf der Zielgeraden könnte noch einmal eine bedeutende Entdeckung gelungen sein: Kuriose Effekte im Zusammenhang mit dem Top-Quark, die mit steigender Energie ausgeprägter werden (aber nicht so signifikant sind, dass es nicht doch eine Zufallsfluktuation sein könnte), scheinen auf ein unerwartetes neues Elementarteilchen hin zu deuten. Das Higgs-Teilchen ist es sicher nicht, eher ein Axigluon, Diquark oder unbekanntes Boson – oder aber ein Hinweis auf zusätzliche Raumdimensionen. Sollte es da tatsächlich ein exotisches Teilchen geben, das sich dem Tevatron indirekt zu erkennen gegeben hat, dann liegt es u.U. in der Reichweite des – inzwischen wieder kräftig Protonen kollidieren lassenden – LHC, es direkt zu erzeugen.

Derweil hat das Tevatron geholfen, den möglichen Massenbereich für das Higgs noch weiter einzugrenzen, auf 114 bis 156 oder 183 bis 185 GeV/c^2: Damit ist es wahrscheinlicher geworden, dass es „leicht“ ist, was wiederum den Nachweis durch den LHC erschweren würde. Dem Endlauf des Tevatron – wo man sich immer noch vage Hoffnungen macht, dem CERN die Entdeckung wegschnappen zu können – ist übrigens ein Blitzschlag dazwischen gekommen: Mindestens 2 Wochen liegt der Beschleuniger lahm, während ein Magnet ausgetauscht wird. (Ars Technica, Nature Blog 23., US/LHC Blog 22., Symmetry Breaking 18., Physics World 15.3.2011. Und Nature 17.3.2011 zur erhofften Rolle des LHC bei der nächsten Großen Vereinheitlichung, 150 Jahre nach Maxwell) NACHTRAG: CERN Bulletin (mehr) zum neuen Run des LHC. NACHTRAG 2: Beim CERN gibt man sich siegessicher, dass das Tevatron Higgs-mäßig verloren hat. NACHTRAG 3 zum Tevatron-Effekt. NACHTRAG 4: dito. NACHTRAG 5: dito, oder auch nicht, oder was.

Neutrino-Teleskop mit optischen Teleskopen verkoppelt

Der Neutrino-Detektor ANTARES im Mittelmeer vor der französischen Küste ist inzwischen mit mehreren automatischen optischen Teleskopen „verkoppelt“ worden, die sonst rasch auf dasjenige Himmelsfeld schwenken, in dem Satelliten einen Gamma-ray Burst gesehen haben. Dieselbe Reaktion wird auch bei – vermeintlichen – Neutrinobursts (das sind zwei oder mehr Neutrinos dicht beieinander oder ein einzelnes mit besonders hoher Energie) getriggert, die ANTARES registriert, könnten sie doch auf dieselben gewalttätigen kosmischen Prozesse zurück gehen, die es am Himmel im sichtbaren Licht blitzen lassen. Einen konkreten Erfolg gab es zwar bei den zwei Dutzend Triggern seit 2009 noch nicht aber ein Akronym für das intergrierte System: „TAToO“ = Telescopes and ANTARES Target of Opportunity. (Ageron & al., Preprint 23.3.2011)

Das schwerste und komplexeste „Anti-Ding“, einen Anti-Helium-Kern aus zwei Antiprotonen und zwei Antineutronen, hat der Relativistic Heavy Ion Collider erzeugen können, eine weitere Steigerung gegenüber dem Anti-Hyper-Triton („Schwerste Antimaterie …“) vom letzten Jahr. Das Antihelium entsteht allerdings so selten, dass es das AMS-Experiment – das nächsten Monat endlich auf die ISS geschafft werden soll – wohl nicht sehen wird. Und das nächstschwerere Antielement, Anti-Lithium, ist auch künstlich noch lange nicht in Reichweite – bei Raumtemperatur könnte es theoretisch einen Festkörper bilden. (STAR Collaboration, Preprint, New Scientist 22., Physics World 25.3.2011) NACHTRAG: einen Monat später LBL und BNL Releases, CERN Bulletin; Nature Blog, Spiegel.

CDMS‘ Endresultat: Wie die Dunkle Materie wieder nicht entdeckt wurde

19. Dezember 2009

Wenn man einen „Untergrund“ von knapp einem ‚Ereignis‘ innerhalb des Messzeitraums erwartet und dann zwei sieht, dann beweist das … leider per se gar nichts: Die Teilchenphysiker der Welt sind sich einig, dass das Endergebnis der Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) in einer ehemaligen Mine in Minnesota kein überzeugendes Signal von Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) enthält, dem populärsten Kandidaten für die Dunkle Materie des Kosmos. Trotzdem wird das am 17. Dezember präsentierte Resultat, dem nach Gerüchten über ein signifikanteres Ergebnis seit Wochen entgegen gefiebert worden war, als ein Meilenstein auf der direkten Jagd nach Dunkler Materie gefeiert: Die Messtechnik ist jetzt so weit, dass der erste klare Erfolg nicht mehr weit sein sollte – und nicht selten folgte in der Teilchenphysik auf ein insignifikantes Resultat bald ein Volltreffer.

Die CDMS – die jetzt in dieser Form nicht weiter betrieben sondern in einen empfindlicheren Detektor umgebaut wird – bestand aus 30 Germanium- und Silizium-Kristallen nahe des absoluten Nullpunkts: Einschlagende Teilchen verursachen ein Wärmesignal (technisch gesehen ein „Phonon“) wie auch eine Ladung. Beides wird gemessen und verglichen: Größe und relatives Timing der beiden Signale verrät, ob ein WIMP oder eines von vielen anderen ’normalen‘ Teilchen der Auslöser war, die trotz maximal möglicher Abschirmung des unterirdischen Detektors nicht vermieden werden können. Regelmäßige Eichung zeigt genau, wie hoch dieser Untergrund ist, und erst am Ende einer langen Messzeit wird nachgeschaut, was tatsächlich passiert ist.

Das Endresultat liegt nun nebst mathematischer Analyse vor: Die Wahrscheinlichkeit liegt bei 23%, dass beide WIMP-Kandidaten Untergrundereignisse sind – es hätten fünf sein müssen, um das in der Teilchenphysik übliche Signifikanz-Niveau zu erreichen. Somit lassen sich aus den Messungen nur bestimmte Obergrenzen für die Eigenschaften möglicher WIMPs ableiten, die immerhin die Zweifel an den stets umstrittenen angeblichen positiven Resultaten des konkurrierenden DAMA-Experiments („Auf der Jagd …“) weiter verstärken. Weitere Detektoren für Dunkle Materie sollten bald ebenfalls harte Ergebnisse liefern, Zeplin-III zum Beispiel: Vielleicht wird 2010 das Jahr, in dem der Hauptbestandteil des Universums greifbar wurde. CDMS hat dazu leider nichts beitragen können.

Detailliertes Paper zu den und Zusammenfassung der CDMS-Daten, Liveblogs der Bekanntgabe von Cosmic Variance und Excited State und das Medienecho (früher), z.B. Physics World (Blog), New Scientist, BBC, Starts with a Bang, In the Gutter, Professor Astronomy, ScienceBlogs, KosmoLogs 18., Scientific American, Guardian, New York Times, Science News, Symmetry Breaking, Ars Technica, Not even Wrong, Universe Today, ScienceBlogs, Twitter 17., Starts with a Bang, In the Gutter 14., Science Blogs, Physics World Blog, Cosmic Variance 9., New Scientist Blog, In the Dark 8., Resonances 7.12.2009. NACHTRAG: Das Paper ist veröffentlicht. NACHTRAG 2: was XENON bringen könnte. NACHTRAG 3: Das Paper ist auch im Druck erschienen, mit seiner „not statistically significant evidence for a WIMP signal.“

LHC macht kurze Pause – nach Rekord-Kollisionen mit 2.36 TeV Energie

Am 16. Dezember endete die erste Phase der Inbetriebnahme des Large Hadron Collider: Über eine Millionen Teilchenkollisionen waren bis dahin aufgezeichnet worden, darunter zuletzt solche mit einer Rekordenenergie von 2.36 TeV – womit die Führerschaft in der Teilchenphysik unübersehbar von den USA nach Europa zurückgekehrt ist. Nach einiger Feinabstimmung insbesondere der Sicherheitsvorkehrungen wird der LHC im Februar 2010 wieder eingeschaltet, um dann mit noch höherer Energie mit der ‚richtigen‘ Wissenschaft zu beginnen. Der einzige nennenswerte Zwischenfall im ersten Monat war ein kurzer Stromausfall gewesen, der sich insbesondere durch das Verstummen aller CERN’schen Webserver bemerkbar machte, den LHC selbst aber nicht gefährdete. (CERN Press Release 18., Scientific American 10., New York Times, Physics World Blog 9., PlaceboAlarm 8., Nature Blog 7., New Scientist Blog 4., Ars Technica, Cosmic Log, Scientific American, The Register 2.12.2009. Und Physics World 10., New Scientist 14.12.2009 zur Spekulation, dass der Fermi-Satellit eher als der LHC eine Signatur des Higgs-Teilchens finden könnte, sowie ein langer Vanity Fair-Artikel zum LHC)

Sorgen um die Archivierung der Daten des LEP, des Large Electron Positron Colliders, treiben das CERN um: Da er für den Bau des LHC Platz machen musste (siehe Artikel 148), sind die 100 Terabyte Daten einmalig, die er hinterließ. Deren Speicherung und regelmäßige Übertragung auf neue Medien ist zwar heutzutage kein Problem mehr – aber die Software zu erhalten, die zum Verständnis der Messungen und ihrer Aufbereitung nötig ist, macht erheblich mehr Sorgen. Das meiste wurde noch in FORTRAN statt dem heute üblichen C++ geschrieben, vieles ist nicht wirklich dokumentiert, und die Zahl der CERN-Forscher, die noch alles wissen, wird mit der Zeit nicht größer … (Holzner & al., Preprint 9., arXiv Blog 11.12.2009)