Neue Technologien zum Nachweis dunkler Materie
Fast die gesamte Energie, die in unserem Universum gespeichert ist, existiert als dunkle Materie. Doch obwohl sie so häufig vorkommt, ist erstaunlich wenig über sie bekannt. „Dunkle Materie scheint hauptsächlich durch die Schwerkraft zu interagieren und besteht wahrscheinlich aus Elementarteilchen, die noch nicht identifiziert wurden“, sagt Marcin Kuźniak, Gruppenleiter bei AstroCeNT/NCAC PAS. Dies ist jedoch nur eine Hypothese. Was dunkle Materie eigentlich ist und wie sie entsteht, ist eines der großen ungelösten Probleme der Physik. Doch der Vorhang, der das Geheimnis der dunklen Materie verhüllt hat, wird allmählich gelüftet, unter anderem dank Initiativen wie des EU-finanzierten Projekts DarkWave. Im Rahmen des Projekts werden neue Technologien entwickelt, die Detektoren der nächsten Generation zur Beobachtung des Universums ermöglichen werden. „Mit den richtigen Technologien könnten diese sehr großen Detektoren, die sich normalerweise in unterirdischen Labors befinden, es uns ermöglichen, dunkle Materie direkt nachzuweisen“, fügt Kuźniak hinzu, der das Projekt koordinierte.
Empfindlichere Detektoren dank neuer Technologien
Im Rahmen des Projekts entwickelten Forschende von fünf Institutionen ein umfassendes Portfolio von Technologien zum Nachweis dunkler Materie. Dazu gehören neue Wellenlängenschieber-Materialien und Photodetektoren sowie neue Seismik- und Infraschall-Sensoren, die zur Überwachung des Hintergrundgeräuschpegels in der Umgebung des Detektors eingesetzt werden können. Die Forschungsgruppe erstellte zudem Algorithmen für die Signalverarbeitung und -analyse, mit denen sich Informationen aus den von den Detektoren erfassten Daten extrahieren lassen. Darüber hinaus bot das Projekt den Forschenden die Möglichkeit, die für die Durchführung von Experimenten, Forschung und Tests benötigten Materialien zu erwerben. „All diese Technologien und Hilfsmittel tragen dazu bei, dass die Detektoren empfindlicher sind als je zuvor“, so Kuźniak.
Weiterentwicklung der Detektoren für dunkle Materie
Diese Technologien haben sich bereits direkt auf die Suche nach dem Wesen der dunklen Materie ausgewirkt. So profitiert beispielsweise der im Bau befindliche DarkSide-20k-Detektor von neuartigen fluoreszierenden und reflektierenden Materialien, die im Rahmen des Projekts entwickelt wurden. Mit diesen Materialien wird die Lichtsammlungsempfindlichkeit des Detektors erheblich verbessert und gleichzeitig seine Konstruktion drastisch vereinfacht. Im Rahmen des Projekts wurden zudem zwei Tieftemperatur-Prüfstände in Warschau eingerichtet, in denen diese Art von Materialien zusammen mit hochmodernen Mehrfachanordnungen von Photodetektoren unter repräsentativen Bedingungen getestet werden, bevor sie in einen Detektor eingebaut werden. Darüber hinaus brachte DarkWave die Gemeinschaften der dunklen Materie und der Gravitationswellen zusammen. So wurden im Projekt beispielsweise neue Netze von Seismik- und Infraschall-Sensoren für die Überwachung des Hintergrunds am Virgo-Gravitationswellen-Observatorium entwickelt und getestet. Sie wurden auch zur Kartierung der Seismik- und Infraschall-Umgebung am unterirdischen Versuchsgelände DarkSide-20k verwendet.
Unterstützung junger Forschender bei der Sammlung praktischer Erfahrung
Schwerpunkt des Projekts war neben der Technologie die Unterstützung junger Forschender, insbesondere Promovierender. Mit Unterstützung des Projekts konnten diese Forschenden an verschiedenen Messkampagnen teilnehmen, u. a. bei CERN und Virgo. „Die von DarkWave gewährte Mobilität wurde zu einem Katalysator für die Anhäufung von Wissen und die Sammlung von Erfahrungen, wodurch sie zu einem der wichtigsten und bedeutendsten Ergebnisse des Projekts wird“, bemerkt Yuliya Hoika, EU-Projektkoordinatorin am Nicolaus Copernicus Astronomical Center. Diese Forschenden und das gesamte Projektteam sind nun in der Lage, das Wissen, die Vernetzung und die innovativen Ideen, die durch DarkWave gefördert wurden, weiter voranzutreiben. Dazu gehört die Prüfung neuer Finanzierungsmöglichkeiten unter Horizont Europa und die Erkundung des Potenzials, einige der im Rahmen des Projekts entwickelten Lösungen zu vermarkten.
Schlüsselbegriffe
DarkWave, dunkle Materie, Detektoren, unsichtbares Universum, Universum, Schwerkraft, Physik, Wellenlängenschieber, Photodetektoren, Seismik, Infraschall-Sensoren, Algorithmen, DarkSide-20k-Detektor, Gravitationswelle