Posts Tagged ‘WIMPs’

XENON100 hat immer noch keine WIMPs gefunden

22. Juli 2012

Der Dunkel-Materie-Detektor im Gran Sasso, der immer wieder mit dem Nicht-Nachweis irgendeines Signals („Direkte Detektionsversuche der Dunklen Materie …“) für Unmut sorgt, hat schon wieder eine Negativ-Meldung heraus gegeben: 225 Tage Messungen in der neuesten Konfiguration zeigen wieder nichts. Zwar wurden zwei ‚Ereignisse‘ registriert, aber die sind statitisch konsistent mit dem einen Ereignis, das der Strahlungshintergrund in dem italienischen Tunnel liefern sollte. Gegenüber einem Paper von 2011, das auf 100 Tagen Messungen basierte, ist die Empfindlichkeit des Detektors abermals um einen Faktor 3.5 gesteigert worden, und der noch erlaubte Parameter-Bereich für Weakly Interacting Massive Particles ist weiter geschrumpft. Die XENON-Forscher sind aber weiter guten Mutes und halten WIMPs immer noch gleichzeitig für die beste Erklärung der Dunklen Materie aus der Kosmologie (an deren Realität sie nicht zweifeln) und naheliegendste Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik. Der einfachsten Supersymmetrie – die auch schon unter Nullresultaten des LHC leidet – geht es nun allerdings immer schlechter. Mit einem noch viel größeren Detektor, XENON1T mit Baubeginn dieses Jahr, soll die Jagd nun fortgesetzt werden: Er wird gleich eine ganze Tonne flüssiges Xenon – statt der 62 kg von XENON100 – verwenden. Und der große amerikanische Xenon-Detektor LUX soll ebenfalls dieses Jahr mit Messungen beginnen. Aprile & a., Preprint 14., INFN Press Release, PM des MPI für Kernphysik 18., New Scientist Blog 19., Cosmic Variance, Symmetry Breaking 20.7.2012. NACHTRAG: neuer Preprint mit der Auswertung der 225 Tage

Ein kurioses Konzept für einen biotechnologischen Dunkel-Materie-Detektor sorgt für Aufsehen oder wenigstens Amüsement: In dem würden unzählige quasi nummerierte DNS-Stränge an Goldplättchen aufgehängt, die von DM-Teilchen losgeschlagene Goldatome durchtrennen sollen. Anschließend würden die abgehackten DNS-Segmente mit etablierten Genanalyse-Techniken (Stichwort PMC) herausgefiltert, und die genaue Flugbahn der Atome wäre zu rekonstruieren. Und zwar in zwei Dimensionen Mikro- und in der dritten (entlang der DNS-Stränge) sogar Nanometer-genau. Zu wissen, aus welcher Richtung ein DM-Teilchen angeflogen kam, wäre eine wesentliche Erkenntnis, zumal die Methode schon eine niedrige Energieschwelle hätte. Sie würde bereits bei Zimmertemperatur funktionieren und die Appartur auch nur ein kleines Zimmer füllen – nur die konkrete Umsetzung ist noch mit einigen Hürden verbunden. (Drukier & al., Preprint 28.6., ArXiv Blog 2., astrobites 19.7.2012. Und Weniger, Preprint 12., Resonaances 17., Scientific American Blog 23., Physics World 24.4., Su & Finkbeiner, Preprint 14., astrobites 19.6.2012 zu möglichem Dunkel-Materie-Nachweis mit dem Fermi-Satelliten)

„Post-Higgs-Kater“: Physik vor ungewisser Zukunft

Between the infamous magnet quench of 2008 to the sobering exclusion plots of the last couple of years, an entire generation of graduate students and young postdocs is internalizing the idea that finding new physics will not be as simple as turning on the LHC as some of us had believed as undergrads. Despite our youthful naivete, the LHC is also still in its infancy with a 14 TeV run coming after its year-long shutdown. The above results are sobering, but they just mean that there wasn’t any low-hanging fruit for us to gobble up right away.“ (Flip Tanedo, Quantum Diaries 19.7.2012)

Bloss den LHC einschalten, und schon fällt einem spektakuläre „Neue Physik“ in den Schoss: Das mag in den letzten Jahren mancher Physiker gehofft haben, aber so ist es eben nicht gekommen. Der Super-Beschleuniger hat bisher letztlich nur bestätigt, was eh die meisten glaubten, und nach der Feierlaune Anfang des Monats bricht sich nun wieder die Besorgnis Bahn, dass nach dem Fang mutmaßlichen Higgs-Teilchens nicht mehr viel heraus kommen könnte. Supersymmetrie? Schwer eingeschränkt (auch durch Versuche des direkten Nachweises; s.o.). Hinweise auf zusätzliche Raumdimensionen? Keine Spur. Schwarze Minilöcher? Spricht schon keiner mehr drüber. Natürlich sind noch nicht einmal die bisherigen Kollisionsdaten komplett ausgewertet, bis Jahresende geht der 8-TeV-Run noch weiter, und dann kommt ja noch die 14-TeV-Ära: Die schiere Datenmenge der nahen Zukunft wird sicher der Physik einen viel klareren Weg als bisher weisen und z.B. die Eigenschaften des Higgs-Feldes – des einzigen fundamentalen Skalarfeldes in der heutigen Natur – genauer beschreiben. Aber eine Menge clevere Hypothesen über das Standardmodell hinaus, auch das ist nun unausweichlich, werden in den kommenden Jahren auf der Strecke bleiben – und in welcher Richtung die großen Antworten liegen, ist nun weniger klar als viele glaubten. (Science News, Quantum Diaries 20., Economist 19., NPR, Strassler, Nature, Telegraph 18., Strassler, Woit 16., Boston Globe 15., USA Today 14.7.2012)

Even though it wasn’t discovered until 2012, the Higgs boson was proposed back in 1964. It is very much a child of the 20th century. In particle physics and cosmology, the 21st century promises discoveries that will help illuminate the dark universe around us. That’s the great thing about history being made: you know things are different now, but you can’t be sure where you’re going to go next.“ (Sean Carroll, CNN 20.7.2012 [NACHTRAG: hier kommentiert])

Direkte Detektion Dunkler Materie: Kommt bald der Durchbruch?

9. Februar 2011

Die direkte Suche nach der Dunklen Materie des Kosmos mit Detektoren im Untergrund könnte schon dieses Jahr einen entscheidenden Schritt vorankommen: Schon Anfang 2011 sollte der besonders empfindliche XENON 100 (bisher Nullresultat) seine ersten Ergebnisse mit größerer WIMP-Fangmasse präsentieren, und auch von mehreren anderen Experimenten – darunter CoGeNT (geheimnisvoller Hintergrund) („Radio-‚Nebel‘ …“) – werden Veröffentlichungen erwartet. Und wenn sich die WIMPs wieder nicht melden sollten: In den kommenden 10 Jahren wird die Empfindlichkeit vieler Experimente noch einmal um mehrere Größenordnungen steigen. Um 2020 werden wir entweder genau wissen, aus was die Dunkle Materie besteht – oder woraus nicht. Cosmic Variance 3.2.2011. Auch eine PM der JGU Mainz zu deren Beitrag zu XENON 100, Nature zu Ärger um das Untergrundlabor DUSEL („Neues Untergrundlabor …“) und Silicon über einen britischen Supercomputer, der u.a. Daten der Dark Energy Survey („Eine weitere …“) auswerten soll.

Lebensdauer des Myons besser denn je gemessen

2.196980±0.000002 µs beträgt die Lebensdauer des schweren Gegenstücks des Elektrons nach neuen Messungen in einem Schweizer Labor (deren Datenmenge allerdings so gewaltig war, dass nur ein Superrechner in den USA damit klar kam): Das verbessert wiederum Rechnungen zur Schwachen Kernkraft. (BU College PR 4.2.2011. Und PMn des MPK zu Präzisionsmessungen, die einmal bei der Klärung der Frage helfen sollen, ob das Neutrino sein eigenes Antiteilchen [„Gibt es …“] ist, und zum Befüllen des Double-Chooz-Detektors)

Ein neuer Quantenzustand des Wasser-Moleküls manifestiert sich auf extrem engem Raum: Dann bestimmt nicht mehr allein Elektrostatik die Wasserstoffbindung, weil Quantenschwankungen der Ladung eine Rolle zu spielen beginnen. Was wiederum für die Rolle des Wassers beim Leben wichtig sein könnte: Der Effekt wurde auf Größenskalen von 2 µm beobachtet, was etwa dem Abstand zwischen Strukturen in Zellen entspricht. (Physics World 4.2.2011)

Large Hadron Collider immer besser – und an der Schwelle zu „neuer Physik“?

11. August 2010

Der Large Hadron Collider hat in den ersten drei Monaten („Immer neue Ergebnisse …“) mit 3.5 TeV/Strahl den gesamten bekannten Teilchenzoo wiederentdeckt, das Top-Quark inklusive, die ‚Leuchtkraft‘ konnte beständig gesteigert werden, und das Management gibt sich optimistisch, dass vor der nächsten längeren Abschaltung Ende 2011 oder Anfang 2012 genügend Kollisionsdaten gesammelt worden sind, um zu ’neuer Physik‘ der einen oder anderen Art vorzustoßen. Und dabei gibt es – zur Zeit jedenfalls noch – weiter einen regelrechten Wettlauf mit dem amerikanischen Konkurrenten Tevatron. Den würde das Fermilab gerne nach 2011 bis 2014 weiter betreiben, was allerdings 100 Mio.$ kosten würde, die bereits für andere neue Teilchenexperimente verplant sind. Doch es würde dann die vage Chance winken, dem LHC dessen populärstes Jagdziel, das Higgs-Boson, weg zu schnappen.

Gerade erst hat das Tevatron wieder ein wichtiges Nullresultat beigesteuert: Zwischen 158 und 175 GeV/c^2 Masse kann das Higgs nicht haben, womit es – andere Nichtnachweise hinzu genommen – in den Massenintervallen 114 bis 158 oder 175 bis 185 GeV liegen muss (wenn es denn existiert). Und die Tevatroniker glauben, dass sie mit den 65% mehr Daten, die sie bei einem Betrieb bis 2014 statt 2011 einfahren würden, das Higgs nachweisen könnten – und das knapp vor dem LHC. Dessen Leuchtkraft (und entsprechend Kollisionsrate) wird zwar laufend gesteigert, seit Ende März bereits um einen Faktor 1000, und seine Kollisionsenergie ist schon jetzt höher, aber das Tevatron – schon länger in voller Fahrt – hat einen Vorsprung. Auch aus LHC-Sicht gelten beide Beschleuniger die nächsten 2-3 Jahre als „komplementär“. Aber wann wird einer der beiden den ersten klaren Hinweis auf „neue“ Physik jenseits des Standardmodells finden?

Der Nachweis des Higgs wäre kurioserweise einfacher, wenn es im höheren Massenbereich läge: Oberhalb von 140 GeV würde es bereitwillig in Paare von Z- oder W-Bosonen zerfallen, die ein relativ klares Signal versprechen, ein leichteres Higgs zerfiele dagegen in b-Quarks, die sich kaum vom Hintergrund anderer Ereignisse abheben. Im ersteren Fall könnte dem LHC der Nachweis schon nach einem Jahr gelingen, im anderen kann es auch 5 Jahre dauern. Auch Hinweise auf Supersymmetrie oder zusätzliche Raumdimensionen werden vermutlich mehrere Jahre auf sich warten lassen, aber es gibt noch andere Kandidaten, die schon viel früher auftreten könnten. Besonders exotisch dabei die spekulative Möglichkeit, dass bei hohen Energie die Anzahl der Raumdimensionen abnimmt, was sich ziemlich klar in dem Muster verraten würde, in dem Kollisionsprodukte auseinander fliegen.

Wann die große Abschaltung des LHC für umfangreiche Nachbesserungen beginnt, die dann einen Betrieb mit den vollen 7 TeV pro Strahl ermöglichen soll, steht noch nicht fest: irgendwann nach 18 bis 24 Monaten Betrieb bei 3.5 TeV, wenn „ein inverses Femtobarn“ Kollisionsdaten im Kasten sind. Aber es ist inzwischen klar, dass sie dann wohl 15 Monate dauern wird, weil nicht nur unzählige Schweißnähte erneuert werden müssen sondern auch noch andere Arbeiten nötig sind. Nicht nur der LHC, auch andere große CERN-Experimente werden in dieser Zeit ruhen: Sämtliche Arbeitskraft wird für den LHC gebraucht. Ende 2015 wird der LHC ein zweites Mal abgeschaltet, um ihn noch leistungsfähiger zu machen, für einen Betrieb des „Super-LHC“ bis 2030.

Tevatron Collabs., Preprint 26.7.2010; CERN Tweet 9., CERN Bulletin 2.8., CERN, STFC Releases 26., CERN Bulletin 5.7., CERN Tweet 28.6.2010; Science 30.7.2010 S. 498-9; Ars Technica 11., Cosmic Variance, Spektrum Direkt, Discovery 10., Nature 4., BBC, Ars Technica 2., Science 2.0 1.8., Science Blogs 30., Ars Technica, Science Blogs, Reuters, Spiegel 28., Astronomy Now 27., Physics World, Science 2.0, Science Journalism Tracker, Spiegel 26., Science 2.0 21., Nature 20., Science 2.0 17., BBC 14., New Scientist Blog 13., Discovery, Telegraph 12., Science 2.0 8., New Scientist 7.7., Discovery 29., BBC 28.6.2010. Und: wie der LHC-Strahl klingt (wenn er die Wand trifft) sowie die Sonfikation der Kollisionsdaten, auch hier, hier und hier beschrieben

Was nach dem LHC kommt, wird schon eine Weile vorbereitet, aber über den Weg wird keinesfalls entschieden, bevor der LHC klar gemacht hat, was es in seinem Energiebereich Neues zu entdecken gilt. Auf jeden Fall soll es ein Leptonen-Collider sein, der klarere Ergebnisse als ein Hadronen-Collider verspricht, weil dort Partikel kollidieren, die aus jeweils mehreren Quarks bestehen. Die Wahl muss zwischen dem International Linear Collider (ILC), der technologisch weniger anspruchsvoll aber auch leistungsschwächer wäre, und der Alternative Compact Linear Collider (CLIC) getroffen werden: Lange ‚bekämpften‘ sich beider Arbeitsgruppen, allmählich kommt man sich aber näher – und der LHC-Nachfolger dürfte das erste echte globale Collider-Projekt werden. Mit einer Fülle von administrativen Problemen, die neben den technischen auch noch gelöst werden müssen. (Physics Today Juli 2010 S. 22-4, auch Symmetry, Science Blogs, New Scientist)

Neuer Dunkle-Materie-Detektor wird in Sudbury installiert

Diesen Monat wird eine 4-kg-Blasenkammer, später im Jahr dann eine mit 60 kg, im Sudbury Neutrino Observatory in Untergrund Kanadas aufgestellt: Dies gilt als bisher anspruchsvollster Versuch, die mutmaßlichen Weakly Interacting Massive Particles, die für die DM des Kosmos verantwortlich sein dürften, direkt nachzuweisen. Und zwar mit einer Variante der klassischen Blasenkammer – und dem Hinweis, dass es bis zu einem zweifelsfreien WIMP-Nachweis ein Jahrzehnt dauern kann. (Univ. of Chicago Press Release 11.8.2010. Auch BBC zu Überlegungen, den CDMS-II-Detektor ebenfalls ins SNOLab zu schaffen, und Physics World zu positiven WIMP-Detektionen [„Auf der Jagd …“], die einfach nicht verschwinden wollen) NACHTRAG: ein Review der DM-Jagd im Untergrund. NACHTRAG 2: ein langer Artikel zu SNOLAB.

Gibt es Unterschiede zwischen Neutrinos und Antineutrinos? Laut dem Standardmodell der Teilchenphysik nicht, aber gleich zwei Experimente, MINOS und MiniBooNE, haben unlängst soetwas angedeutet, aber mit keiner besonders hohen Signifikanz: Gesehen wurden unerwartete Effekte bei Messungen von Neutrinooszillationen, die als Massendifferenz zwischen Neutrino und Antineutrino interpretiert werden könnten. Auch das hypothetische sterile Neutrino könnte eine Rolle spielen. (STFC Release 14., IU News 24.6.2010; Ars Technica, Nature Blog 14., New Scientist 16., Physics World 18., Physics World Blog 21., Science Journalism Tracker 28.6., Science News 17.7.2010)

Eine Obergrenze der Neutrino-Massen von 0.28 eV aus der Astrophysik ist die beste überhaupt: Sie ergibt sich aus der Kombination eines Katalogs von über 700’000 Galaxien mit photometrischer Rotverschiebung mit diveren anderen kosmologischen Daten. Auch kein Laborverfahren kann es genauer – und nun sieht man auch warum: Weder die gegenwärtige noch die nächste Generation von Experimenten wird genau genug sein, um derart geringe Massen zu sehen. Und zur Dunklen Materie des Kosmos tragen Neutrinos nicht einmal 1% bei. (Thomas et al., Preprint 20.5., UCL News 22.6., APS Release 12.7.2010; BBC 22., Universe Today 23.6.2010)

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)