COSINE-100-Experiment untersucht das Geheimnis der Dunklen Materie

Astrophysikalische Beweise deuten darauf hin, dass das Universum eine große Menge an nicht-leuchtender dunkler Materie enthält, aber es wurde kein eindeutiges Signal beobachtet, trotz der gemeinsamen Bemühungen vieler experimenteller Gruppen. Eine Ausnahme bildet die seit langem diskutierte Behauptung der DAMA-Gruppe, dass eine jährliche Modulation der in ihrem Detektor beobachteten Ereignisse unter Verwendung von Natriumiodid-Zielmaterial, wie sie von schwach interagierenden massiven Partikel-(WIMP)-Wechselwirkungen erwartet werden könnte, stattfindet. Das neue COSINE-100-Experiment, ein Detektor für unterirdische dunkle Materie am Yangyang Underground Laboratory (Y2L) in Korea, beginnt, diesen Anspruch mit dem gleichen Medium zu erforschen und hat nun erste Ergebnisse, die die Interpretationen von DAMA, die seit fast zwei Jahrzehnten bestehen, deutlich in Frage stellen. Y2L wird vom Center for Underground Physics (CUP) des Institute for Basic Science (IBS) in Korea betrieben.

Das Rätsel um das Signal von DAMA und seine Inkonsistenzen mit den Ergebnissen anderer Experimente haben zu Hunderten von Veröffentlichungen geführt. Viele neue Modelle zur Erklärung der Dunklen Materie wurden als Ergebnis vorgeschlagen, und die Kontroverse bleibt von großem wissenschaftlichen und öffentlichen Interesse.

Ein kritischer Punkt ist, dass COSINE-100 die beanspruchte Dunkelsubstanzdetektion von DAMA mit dem gleichen Targetmaterial wie DAMA untersucht und als erstes signifikante Ergebnisse auf diese Weise veröffentlicht. In einem Artikel, der in der Ausgabe 7734 der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, beschreibt die Zusammenarbeit Ergebnisse aus der ersten Phase der Arbeit, eine Suche nach dem Signal der Dunklen Materie, indem sie nach einem Überschuss an Ereignissen über den erwarteten Hintergrund sucht. Diese Studie zeigt, dass es keine derartigen Ereignisse in den Daten gibt, was bestätigt, dass das jährliche Modulationssignal von DAMA mit den Ergebnissen aus anderen Experimenten unter der Annahme des traditionellsten sogenannten Standard-Halo-Modells für dunkle Materie in unserer Galaxie, wie in Abb. 1 dargestellt, in starker Spannung steht.

„Das Ergebnis dieser Suche ist signifikant, denn zum ersten Mal verfügen wir über beträchtliche Natriumiodid-Kristalldetektoren mit ausreichender Empfindlichkeit, um den DAMA-Signalbereich zu betrachten. Es ist seit 20 Jahren so, dass der potenziell signifikante Claim nicht unabhängig voneinander mit den gleichen Kristallen reproduziert wurde“, sagt COSINE-100 Co-Sprecher und stellvertretender Direktor von CUP, Hyun Su Lee. „Die ersten Ergebnisse zeigen sogar einen Großteil des möglichen Suchbereichs der Dunklen Materie, der durch das DAMA-Signal dargestellt wird. Mit anderen Worten, es bleibt wenig Raum für diesen Anspruch, von der Interaktion der Dunklen Materie auszugehen, es sei denn, das Modell der Dunklen Materie wird signifikant modifiziert.“

Die COSINE-100-Kooperation besteht aus 50 Wissenschaftlern aus Korea, den Vereinigten Staaten (mit Co-Sprecherin Professor Reina Maruyama von der Yale University), Großbritannien, Brasilien und Indonesien. COSINE-100 begann 2016 mit der Datenaufnahme. Das Experiment verwendet acht thalliumdotierte Natriumiodidkristalle mit niedrigem Hintergrund, die in einer 4 x 2 Anordnung angeordnet sind, was eine Gesamtzielmasse von 106 kg ergibt. Jeder Kristall ist mit zwei Photosensoren gekoppelt, um die Menge der im Kristall abgelagerten Energie zu messen. Die Natriumiodid-Kristallanordnungen werden in 2.200 L lichtemittierender Flüssigkeit eingetaucht, was die Identifizierung und anschließende Reduzierung der von den Kristallen beobachteten radioaktiven Hintergründe ermöglicht. Der flüssige Szintillator ist von Kupfer-, Blei- und Kunststoff-Szintillatoren umgeben, um den Hintergrundbeitrag von Fremdstrahlung sowie kosmischen Strahlenmuonen zu reduzieren. Das Detektorschema ist in Abb. 2 dargestellt.

„Bisher haben wir die Dunkler-Materie-Partikel bei dieser Suche noch nicht entdeckt, aber wir sind der Prüfung der Herkunft des DAMA-Signals näher gekommen, ob es sich nun um Wechselwirkungen der Dunklen Materie oder um einen unbekannten systematischen Effekt handelt“, sagte Chang Hyon Ha, wissenschaftlicher Mitarbeiter am CUP.

Trotz der starken Beweise für ihre Existenz bleibt die Identität der dunklen Materie ein Geheimnis. Um die jährlichen Modulationsergebnisse von DAMA vollständig zu bestätigen oder zu widerlegen, sind mehrere Jahre an Daten erforderlich. Ein verbessertes theoretisches Verständnis und weitere Daten aus dem verbesserten COSINE-Detektor (COSINE-200) helfen, das Geheimnis des Signals zu verstehen. Um dieses Ziel zu erreichen, baut CUP derzeit ein neues Experimentierfeld an einem tieferen und geräumigeren Ort, dem Yemi Laboratory in Jeongseon County. COSINE-100 sammelt derzeit Daten mit kontinuierlicher Verbesserung des Verständnisses des Detektors. Yeongduk Kim, Hyun Su Lee, Reina Maruyama und Neil Spooner konzipierten das Experiment COSINE-100.

Mehr Informationen:
Ein Experiment zur Suche nach Wechselwirkungen zwischen dunkler Materie mit Natriumiodiddetektoren, Nature (2018). DOI: 10.1038/s41586-018-0739-1

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