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Discovery strategies for Dark Matter and new phenomena in hadronic signatures with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider

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Mit Echtzeit-Datenanalyse Licht in die dunkle Materie bringen

Die Suche nach der dunklen Materie, von der die Wissenschaft annimmt, dass sie einen sehr großen Anteil des Universums bildet, ist und bleibt mühselig. Ein neues Datenerfassungsverfahren könnte den Forschenden nun bei der Beantwortung einer der grundlegendsten Fragen helfen.

Grundlagenforschung

Der sichtbaren Materie – jenen Dingen, die wir anfassen und sehen können –, wird nur ein kleiner Bruchteil dessen zugeschrieben, woraus das Universum zusammengesetzt ist. Der überwiegende Teil der Materie, etwa 85 %, ist „dunkel“, d. h. sie sendet weder Licht aus noch reflektiert sie es. Auch wenn die physikalische Wissenschaftsgemeinschaft bisher noch kein bekanntes Teilchen in Wechselwirkung mit der dunklen Materie beobachten konnte, sind sich die Forschenden dennoch sicher, dass es sie gibt. „Aus den uns bekannten Gravitationsgesetzen schlussfolgern wir, dass es unerklärte Materie gibt“, erklärt die Koordinatorin des Projekts DARKJETS, Caterina Doglioni, leitende Forscherin an der Universität Lund in Schweden. „Wir waren nur noch nicht in der Lage, genau zu verstehen, was es ist.“ Eine Hypothese besagt, dass diese dunkle Materie aus Teilchen besteht, die nur schwach mit den konventionellen Teilchen wechselwirken. Einige astrophysikalisch Forschende versuchen, die dunkle Materie im Labor nachzubilden, indem sie Teilchen miteinander kollidieren lassen. Zweifellos ist einer der besten Orte dafür der Große Hadronen-Speicherring (Large Hadron Collider, LHC) der Großforschungseinrichtung CERN in Genf.

Der Stoff, aus dem das Universum gemacht ist

Das Ziel des vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekts DARKJETS bestand darin, einen Beitrag zum besseren Verständnis dieser fundamentalsten aller Frage zu leisten: Woraus besteht unser Universum? Zu diesem Zweck konzentrierte es sich auf die Entwicklung neuer Verfahren zur Datenanalyse. „Kollidieren zwei Teilchen, kann ein ‚Botenteilchen‘ entstehen, das die Wechselwirkung zwischen den gewöhnlichen Teilchen und den Teilchen der dunklen Materie vermittelt“, fügt Doglioni hinzu. „Wenn wir am LHC zwei Teilchen zusammenstoßen lassen, suchen wir nicht direkt nach dunkler Materie, sondern nach der Existenz dieser neuen Botenteilchen, die darauf hinweisen könnte, dass es dunkle Materie gibt.“ Bislang bestand die Schwierigkeit für die Beteiligten darin, die schiere Menge der durch diese Wechselwirkungen erzeugten Daten zu bewältigen. „Oft sind es einfach zu viele Daten, die aufgezeichnet werden müssen“, sagt die Wissenschaftlerin. „Deshalb wollten wir erkunden, ob wir diese Wechselwirkungen auf eine effizientere Weise analysieren können.“ Zu diesem Zweck leistete das Projekt DARKJETS Pionierarbeit an einem neuen Datenerfassungsverfahren für das ATLAS-Experiment am CERN. Der entscheidende Punkt dieses Verfahrens ist, dass der Bedarf an enormen Datenressourcen umgangen wird. In dem Verfahren kommen Echtzeit-Analysealgorithmen zum Einsatz, um die Datenmenge zu verringern, und es wird nur das Relevante protokolliert. Auf diese Weise können die Forschenden mehr Daten aufzeichnen, brauchen jedoch weniger Speicherplatz. „Teilchenwechselwirkungen können stark sein, etwa wie bei einem großen Magneten, der am Kühlschrank klebt, oder auch schwach, wie bei kleineren Magneten, die einfach abfallen“, erklärt Doglioni. „Bei unserer Suche nach dunkler Materie sind wir immer schwächeren Wechselwirkungen auf der Spur, und dafür brauchen wir immer mehr Daten. Hier sind Echtzeit-Analyseverfahren eine echte Hilfe.“

Existentielle Fragen

Bisher wurden keine Signale von Teilchen entdeckt, die nicht durch das Standardmodell der Teilchenphysik erklärbar wären. Naheliegend ist, dass die Suche nach der dunklen Materie weitergeht. Doglioni ist jedoch überzeugt, dass die Physik auf dem richtigen Weg ist. Da die Forschenden in der Lage sind, immer mehr relevante Daten zu sammeln, können auch die Chancen auf die Entdeckung seltener Wechselwirkungen zwischen gewöhnlicher und dunkler Materie nur steigen. „Wir sind immer noch dabei, Datensätze zu analysieren. Zudem gilt die von uns entwickelte Methode jetzt als ein besser etabliertes Verfahren“, erläutert sie. Doglioni betrachtet die Suche nach dunkler Materie als eine existenzielle Suche. „Sie ist nicht ganz so gewaltig wie die Erkenntnis, dass die Erde nicht der Mittelpunkt des Universums ist“, schätzt sie ein. „Aber das Rätsel zu lösen, woraus 85 % unseres Universums bestehen, wäre doch eine wunderbare Entdeckung.“

Schlüsselbegriffe

DARKJETS, dunkle Materie, Universum, Astrophysik, Teilchen, CERN, Großer Hadronen-Speicherring, LHC, Physik, Erde, Algorithmen

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28 März 2022