Neue Technologien zum Nachweis dunkler Materie
Fast die gesamte Energie im Universum besteht aus dunkler Materie. Dennoch ist überraschend wenig über sie bekannt. „Dunkle Materie scheint hauptsächlich über Gravitation zu interagieren und besteht vermutlich aus bisher unbekannten Elementarteilchen“, sagt Marcin Kuźniak, Gruppenleiter am Forschungs- und Technologiezentrum für Astroteilchenphysik, einer autonomen Einrichtung des Astronomiezentrums Nikolaus Kopernikus (NCAC) an der polnischen Akademie der Wissenschaften. Das ist jedoch nur eine Hypothese. Was dunkle Materie ist und wie sie entsteht is eines der größten ungelösten Probleme der Physik. Der Nebel um dieses Rätsel scheint sich jedoch zu lüften, teils dank Initiativen wie dem Projekt DarkWave, das über die EU und die Industrie finanziert wurde. Das DarkWave-Team entwickelt neue Technologien, mit denen die nächste Generation an Detektoren für dunkle Materie konstruiert werden können, um das Universum zu beobachten. „Mit den richtigen Technologien können wir mit diesen riesigen Detektoren, die meist in unterirdischen Labors stehen, dunkle Materie direkt nachweisen“, ergänzt Kuźniak, der Projektkoordinator.
Empfindlichere Detektoren dank neuer Technologie
Im Rahmen des Projekts haben Forschende vom NCAC gemeinsam mit vier Partnereinrichtungen ind Frankreich, Deutschland und Italien ein umfassendes Portfolio an Technologien zur Erkennung dunkler Materie zusammengestellt. Dazu gehören neue Sekundärphosphormaterialien und Photosensoren sowie neue seismische und Infraschallsensoren, mit denen das Hintergrundrauschen um den Detektor herum kontrolliert werden kann. Die Forschenden entwickelten auch Algorithmen zur Signalverarbeitung und -analyse, mit denen Informationen aus den Daten der Detektoren extrahiert werden können. Darüber hinaus konnten die Forschenden über das Projekt die erforderlichen Materialien für die Experimente, Forschung und Tests erwerben. „Mit all diesen Technologien und Hilfsmittel sind die Detektoren empfindlicher denn je“, so Kuźniak.
Die Detektoren für dunkle Materie auf die nächste Stufe bringen
Die Wirkung der Technologien auf der Suche nach Wissen zum Wesen dunkler Materie ist direkt fassbar. Im Detektor DarkSide-20k, der aktuell gebaut wird, werden zum Beispiel neue fluoreszierenden und reflektierenden Werkstoffe aus dem Projekt verarbeitet. Mit den Werkstoffen wird die Lichtsammelempfindlichkeit des Detektors deutlich verbessert und die Konstruktion erheblich vereinfacht. Über das Projekt wurden auch zwei Tieftemperaturprüfstände in Warschau aufgebaut, an denen diese Art von Werkstoffen sowie hochmoderne Fotosensor-Arrays jetzt in repräsentativen Bedingungen getestet werden, bevor sie in den Detektor eingebaut werden. Bei DarkWave kamen zudem die Forschugnsgemeinschaften zu dunkler Materie und Gravitationswellen zusammen. So wurden zum Beispiel neue Netzwerke seismischer und Infraschallsensoren zur Hintergrundüberwachung am Gravitationswellenobervatorium Virgo eingerichtet und im Laufe des Projekts getestet. Sie wurden auch zur Aufzeichnung der seismischen und Infraschallumgebung am DarkSide-20k eingesetzt.
Praktische Erfahrung für Nachwuchsforschende
Neben der Technologie ging es im Projekt auch darum, Nachwuchsforschende zu unterstützen und die Kapazitäten an den Trägereinrichtungen durch Zusammenarbeit mit fortschrittlichen Partnereinrichtungen auszubauen. Dank der Unterstützung konnten die Forschenden an mehreren Messkampagnen unter anderem am CERN und Virgo teilnehmen. „Die Mobilität durch DarkWave ist zu einem Katalysator für den Wissens- und Erfahrungsgewinn geworden. Das ist eines der wichtigsten und wesentlichsten Projektergebnisse“, kommentiert Yuliya Hoika, EU-Projektkoordinatorin am NCAC. Diese Forschenden und das gesamte Projektteam können nun das Wissen, die Netzwerke und die innovativen Ideen aus DarkWave weiter voranbringen. Dazu gehört, das Kommerzialisierungspotenzial einiger der Lösungen aus dem Projekt auszuloten und unter der Leitinitiative Horizont Europa mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen das Projekt STELLAR und das EU-finanzierte Projekt Astrocent Plus ins Leben zu rufen.
Schlüsselbegriffe
DarkWave, dunkle Materie, Detektoren, unsichtbares Universum, Universum, Schwerkraft, Physik, Sekundärphosphor, Photosensoren, seismische Sensoren, Infraschallsensoren, Algorithmen, DarkSide-20k-Detektor, Gravitationswelle