Es wird eng für WIMPs

Der innere Teil des LZ-Detektors besteht aus zwei verschachtelten Titantanks, die mit zehn Tonnen transparentem, reinem, flüssigem Xenon gefüllt sind. Dieses ist so dicht, dass es eine hochisolierte Umgebung schafft, die frei von Störungen der Außenwelt ist und sich perfekt dazu eignet, schwächste Signale einzufangen, die auf ein WIMP hinweisen könnten. Die Hoffnung besteht darin, dass ein WIMP einen Xenon-Kern anstößt und ihn in Bewegung versetzt. Durch das Auffangen des Lichts und der Elektronen, die bei den Wechselwirkungen entstehen, fängt LZ neben anderen Daten auch potenzielle WIMP-Signale ein. Dieser Flüssig-Xenon-Kern ist von einem viel größeren Außendetektor (Outer Detector, OD) umgeben – Acryltanks, die mit gadoliniumhaltigem Flüssigszintillator gefüllt sind.

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Der Nachweis der Vernichtung

Die Empfindlichkeit von LZ beruht auf den viel­fälti­gen Mög­lich­keiten des Detek­tors, Hinter­grund­strahlung zu redu­zieren. Tief unter der Erde ist der Detektor vor kosmischer Strah­lung aus dem Welt­raum abge­schirmt. Um die natür­liche Strah­lung von Alltags­gegen­ständen zu redu­zieren, wurde LZ aus Tausen­den von ultra­reinen, strahlungsarmen Kompo­nenten gebaut. Der Detek­tor ist wie eine Zwiebel aufge­baut, wobei jede Schicht entweder die Strah­lung von außen blockiert oder Teil­chen­wechsel­wir­kungen ver­folgt, um andere Signal­ursachen auszu­schließen.

Neutronen gehören zu den häufigsten Stör­faktoren für WIMP-Signale. Harry Nelson und die UCSB leiteten die Entwick­lung des Außen­detektors von LZ, der entschei­denden Komponente, die es der Kollabo­ration ermög­licht, diese Teilchen aus­zu­schließen.

„Das Schwierige an Neutronen ist, dass sie auch mit den Xenon-Kernen inter­agieren und dabei ein Signal abgeben, das mit dem identisch ist, das wir von WIMPs erwarten“, sagt UCSB-Dokto­randin Makayla Trask. „Der OD ist hervor­ragend für die Detektion von Neutronen geeignet und bestätigt eine WIMP-Detektion, indem er keine Reaktion zeigt.“ Das Vor­handen­sein eines Impulses im OD kann einen ansonsten perfekten Kandi­daten für eine WIMP-Detektion disquali­fizieren.

Auch Radon ahmt WIMPs nach, weshalb die Wissen­schaftler wachsam sein müssen. „Radon durch­läuft eine bestimmte Abfolge von Zerfällen, von denen einige mit WIMPs verwech­selt werden könnten“, ergänzt Postdoc Jack Bargemann. „Eine der Aufgaben, die wir in diesem Durch­lauf bewältigen konnten, war es, den gesamten Satz von Zerfällen im Detektor zu beobachten, um das Radon zu identifi­zieren und zu vermeiden, dass es mit WIMPs verwechselt wird.“

Um ein aussagekräftiges Ergebnis zu erzielen und unbe­wusste Verzer­rungen zu vermeiden, wandte die LZ-Kollabo­ration eine Technik namens „Salting“ an, bei der während der Datenerfassung gefälschte WIMP-Signale hinzugefügt werden. Durch die Verschlei­erung der echten Daten bis zum „Unsalting“ am Ende können die Forscher unbewussten Bias vermeiden und verhin­dern, dass sie ihre Analyse über­interpre­tieren oder verändern.

„Wir verschieben die Grenze in einen Bereich, in dem bisher noch niemand nach Dunkler Materie gesucht hat“, sagt Scott Hasel­schwardt, mittler­weile Assistenz­professor an der University of Michigan. „Menschen neigen dazu, Muster in Daten zu suchen, daher ist es wirk­lich wichtig, dass man sich in diesem neuen Bereich nicht von Vorur­teilen leiten lässt. Wenn man eine Entdeckung macht, möchte man, dass sie richtig ist.“

Mit diesen Ergebnissen hat sich das Spektrum der Möglich­keiten, was WIMPs sein könnten, drastisch verengt, sodass alle Wissen­schaftler ihre Suche besser fokus­sieren und falsche Modelle verwerfen können. LUX-ZEPLIN ist eine Koopera­tion von rund 250 Wissen­schaftlern aus 38 Institu­tionen in den Vereinigten Staaten, Groß­britannien, Portugal, der Schweiz, Südkorea und Australien. Ein Großteil der Arbeit zum Aufbau, Betrieb und zur Analyse des rekord­verdächtigen Experiments wird von Nachwuchs­forschenden geleistet. Die Kollaboration denkt auch über mögliche Upgrades nach, um LZ weiter zu verbessern, und plant einen Detektor für Dunkle Materie der nächsten Generation namens XLZD. [UCSB / dre]