Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

Niedrigenergiephysik-Technik – von einer Art, die herkömmlicherweise mit Physikern verknüpft ist, die sich mit der sogenannten kondensierten Materie oder Festkörperzuständen befassen. Harry erzählte uns, dass er vor dem Beginn seiner Mitarbeit nie geglaubt hätte, dass eine solche feine Registrierung überhaupt möglich sei, und bemerkte scherzhaft, dass seine experimentellen Kollegen dankbar sein sollten, dass er für den ursprünglichen Vorschlag kein Gutachter war.
    CDMS funktioniert ganz anders als die Experimente, die zum Zweck der Detektion mit szintillierendem Xenon und Natriumiodid operieren. Es verwendet Stücke von Germanium oder Silizium von der Größe eines Eishockey-Pucks, auf denen sich ein empfindliches Registriergerät befindet, das ein Phononensensor ist. Der Detektor operiert bei einer sehr tiefen Temperatur – tief genug, um sich gerade auf der Grenze zwischen Supraleitung und Nicht-Supraleitung zu befinden. Wenn auch nur ein kleiner Energiebetrag von Phononen – Toneinheiten, die die Energie durch das Germanium oder Silizium tragen, ähnlich wie Photonen die Einheiten des Lichts sind – auf den Detektor trifft, kann das ausreichen, damit das Gerät seine Supraleitfähigkeit verliert und ein potentielles dunkle-Materie-Ereignis mithilfe eines Geräts registriert, das superconducting quantum interference device (SQUID) (supraleitendes Gerät für Quanteninterferenz) genannt wird. Diese Geräte sind außergewöhnlich empfindlich und messen die Energieabgabe äußerst gut.
    Aber mit der Registrierung eines Ereignisses ist es nicht getan. Die Experimentalphysiker müssen nachweisen, dass der Detektor dunkle Materie registriert – und nicht bloß Hintergrundstrahlung. Das Problem ist, dass alles Strahlung abgibt. Wir geben Strahlung ab. Der Computer, auf dem ich schreibe, gibt Strahlung ab. Das Buch (oder elektronische Gerät), das Sie lesen, gibt Strahlung ab. Der Schweiß eines einzigen Fingers eines Experimentalphysikers reicht aus, um jedes Signal dunkler Materie zu überdecken. Und damit sind alle die ursprünglichen und vom Menschen hergestellten radioaktiven Substanzen noch gar nicht berücksichtigt. Sowohl die Umwelt und die Luft als auch der Detektor selbst geben Strahlung ab. Kosmische Strahlen können auf den Detektor treffen. Neutronen mit niedriger Energie, die sich im Gestein befinden, können dunkle Materie imitieren. Myonen aus kosmischen Strahlen können auf das Gestein treffen und einen Materialspritzer erzeugen, darunter auch Neutronen, die die dunkle Materie ebenfalls imitieren können. Es gibt etwa 1000-mal so viele elektromagnetische Hintergrundereignisse wie vorhergesagte Signalereignisse, auch bei ziemlich optimistischen Annahmen hinsichtlich der Masse und Wechselwirkungsstärke der dunklen Materieteilchen.
    Bei Experimenten zu dunkler Energie dreht sich also alles um Abschirmung und Diskrimination . (Das ist der Begriff des Astrophysikers. Elementarteilchenphysiker verwenden den eher an PCs angelehnten Begriff Teilchen-ID , obwohl ich mir heute nicht mehr so sicher bin, ob das wirklich so treffend ist.) Die Experimentalphysiker müssen ihren Detektor so weit wie möglich abschirmen, um die Strahlung fernzuhalten, und Dunkle-Materie-Ereignisse von uninteressanter Strahlung diskriminieren, die in den Detektoren gestreut wird. Die Abschirmung wird teilweise dadurch erreicht, dass man die Experimente tief im Innern von Minen durchführt. Die Idee dabei ist, dass kosmische Strahlen das Gestein um den Detektor herum treffen werden, bevor sie den Detektor selbst treffen. Die dunkle Materie, die weniger Wechselwirkungen aufweist, wird dagegen ungehindert zum Detektor gelangen.
    Zum Glück gibt es für die Entdeckung dunkler Materie viele Minen und Tunnel. Das DAMA-Experiment und Experimente namens XENON10 und die größere Version XENON100 – sowie CRESST, ein Detektor, der mit Wolfram arbeitet – finden im Gran-Sasso-Labor statt, das sich in einem Tunnel in Italien etwa 3000 Meter unter der Erde befindet. Eine 1500 Meter tiefe Höhle in der Homestake-Mine in South Dakota, die ursprünglich für Goldschürfungen gebaut wurde, wird die Heimat eines weiteren xenonbasierten Experiments sein, das als LUX bezeichnet wird. Dieses Experiment wird in derselben Höhle stattfinden, in der Ray Davis aus Kernreaktionen der Sonne stammende Neutrinos entdeckte. Das CDMS-Experiment befindet sich in der Soudan-Mine, etwa 750 Meter unter der Erde.
    Dennoch reicht all das Gestein