Physik

Jägerinnen des Unsichtbaren

Nach einem längeren Unterbruch ist der LHC-Beschleuniger am Forschungszentrum CERN in Genf seit Mitte Mai wieder in Betrieb. Die beiden Physikerinnen Florencia Canelli und Lea Caminada hoffen, dank Verbesserungen am CMS-Detektor der dunklen Materie auf die Spur zu kommen.

Theo von Däniken

Cern
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Wollen die dunkle Materie nachweisen: die Physikerinnen Lea Caminada (links) und Florencia Canelli am Teilchenbeschleuniger des Cern in Genf. (Bild: Jos Schmid)

 

Ein Strom pulsierender Lichtpunkte jagt in einem fort den rund hundert Meter hohen Schacht empor. Wir sind am «Point 5» des Teilchenbeschleunigers Large Hadron Collider (LHC) des Cern, tief unter einer unscheinbaren Fabrikhalle, die mitten auf einem weiten Feld unweit von Genf steht. «Die Lichter symbolisieren den Strom an Daten, der vom CMS-Detektor laufend erzeugt wird», erklärt die Teilchenphysikerin Florencia Canelli. Der CMS oder Compact Muon Solenoid, der weitere zwei Stockwerke unter uns liegt, ist einer der gewaltigen Detektoren, die die Teilchen nachweisen können, die bei den Kollisionen im LHC entstehen.

Canelli und ihre Begleiterin, ihre frühere Oberassistentin Lea Caminada, die jetzt am Paul-Scherrer-Institut (PSI) arbeitet, waren mitbeteiligt an der Entwicklung des so genannten Pixeldetektors, eines gemeinsamen Projekts der Gruppen von Florencia Canelli und Ben Kilminster an der Universität Zürich, der ETH und dem PSI. Der Pixeldetektor ist der innerste Teil des CMS, nur gerade drei Zentimeter vom Kollisionspunkt entfernt. Er ermöglicht es, Ladung, Ort und Richtung der bei den Kollisionen entstehenden Teilchen zu messen.

40 Millionen Bilder pro Sekunde

Mit vier statt bisher drei konzentrischen Lagen von Siliziumdetektoren, mit einer höheren Pixeldichte von 124 Megapixeln und der Kapazität von 40 Millionen Bildern pro Sekunde erlaubt der neue Detektor noch präzisere Messungen der Teilchen und ihrer Position. Vor einigen Wochen wurde der rund 50 cm lange Pixeldetektor mit einem Durchmesser von 30 cm ins Herzstück des gigantischen, 22 m langen und 15 m hohen CMS-Detektors eingebaut.

Auf Caminada, die die Inbetriebnahme des Detektors überwachte, lastete eine grosse Verantwortung. Denn Gelegenheit, einzugreifen oder etwas am Detektor zu flicken, gibt es erst wieder im Januar 2019, wenn der LHC für eine längere Wartung ausser Betrieb genommen wird.

Schlüssel zur Neuen Physik

Mit den Daten aus dem CMS-Detektor wollen Canelli und ihre Kolleginnen und Kollegen die Türen zur so genannten Neuen Physik öffnen. Damit gemeint ist die Physik jenseits des Standardmodells, mit dem heute die Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen erklärt werden. Denn das Standardmodell funktioniert zwar sehr gut und findet Bestätigung in unzähligen Experimenten – zuletzt prominent durch die Entdeckung des Higgs-Teilchens. Dieses wurde im Standardmodell vorausgesagt, konnte aber erst vor wenigen Jahren unter anderem im CMS-Detektor tatsächlich nachgewiesen werden. Dennoch lässt das Modell einige grundlegende Fragen offen. Diejenige beispielsweise nach der dunklen Materie.

Beobachtungen und Berechnungen des Universums zeigen, dass neben der für uns sicht- und messbaren Materie noch eine gigantische Menge unsichtbare, eben dunkle Materie existieren muss. «Eine Vermutung ist, dass dunkle Materie auch aus Teilchen besteht», erklärt Canelli. «Sie interagieren aber fast nie mit den anderen bekannten Teilchen, deshalb sind sie für uns bis jetzt unsichtbar.» Doch wenn dunkle Materie aus Teilchen besteht, dann sollten diese Teilchen im LHC auch erzeugt werden können. «So, wie wir auch alle anderen Teilchen produzieren», sagt Canelli. Das Problem dabei: «Die Dunkle-Materie-Teilchen hinterlassen keine Signale, wenn sie durch den CMS-Detektor hindurchgehen. Er kann sie also nicht sehen.»

Der Weg, um die dunkle Materie in den Kollisionen des LHC dennoch nachweisen zu können, führt für Canelli über ein besonderes Mitglied der Teilchenfamilie, das so genannte Top-Quark. Seit ihrer Dissertation über Top-Quarks lassen Florencia Canelli diese Teilchen nicht mehr los: «Weil es eine rund 40-mal grössere Masse hat als die anderen Quarks, hat das Top-Quark spezielle Eigenschaften», sagt sie, «zum Beispiel interagiert es viel stärker mit dem Higgs-Boson als andere Teilchen.» Seine Besonderheit macht es zu einem interessanten Kandidaten für die Suche nach der Physik jenseits des Standardmodells. «Ich folge dem Top-Quark überall hin, wo es in den Theorien zur Neuen Physik eine Rolle spielt», sagt Canelli.

Einsame Top-Quarks

Eine dieser Spuren führt sie zu den Dunkle-Materie-Teilchen, die möglicherweise zusammen mit den Top-Quarks erzeugt werden können. Genau diese Hypothese versucht Canelli in den Daten des LHC nachzuweisen. Dabei sucht sie nach «einsamen» Top-Quarks, das heisst Top-Quarks, die mit scheinbar keinen anderen Teilchen erzeugt wurden. Wird nach einer Kollision ein Top- Quark-Teilchen in einer bestimmten Position mit einer bestimmten Richtung erzeugt, so muss wegen des Energieerhaltungssatzes, dieselbe Energie in entgegengesetzter Richtung vorhanden sein.

Das heisst, es muss eines oder mehrere andere Teilchen geben, die komplementär zum Top-Quark entstehen. Dies können zum Beispiel Higgs-Teilchen, Z-Bosonen oder beliebige andere Teilchen sein, die im Detektor nachgewiesen werden können. «Wenn ich aber ein Top-Quark sehe und nichts weiteres dazu, dann ist das erstaunlich. Das darf es nicht geben», so Canelli. «Es sagt uns, dass noch etwas anderes da ist, selbst wenn es nicht interagiert und keine Spuren im Detektor hinterlässt.» Ein Verhalten also, das man genau so von einem Dunkle-Materie-Teilchen erwarten würde.

Was in der Theorie relativ einfach klingt, ist in der Praxis eine riesige Herausforderung. Denn bereits die Top-Quarks selber können im Detektor nur indirekt nachgewiesen werden. Weil sie so schwer sind, zerfallen sie viel zu schnell, um Spuren zu hinterlassen. Sie können nur aufgrund ihrer Zerfallsprodukte rekonstruiert werden. Dazu sind aufwändige statistische Verfahren notwendig, um aus der riesigen Menge an Signalen, die eine Kollision im Detektor erzeugt, mit der notwendigen Sicherheit die dabei produzierten Teilchen zu identifizieren.

Suche vorantreiben

Kommt hinzu, dass kaum etwa über die Dunkle-Materie-Teilchen bekannt ist. «Sie könnten eine sehr kleine Masse, aber auch eine sehr grosse Masse haben», sagt Canelli. Die Suche erstreckt sich deshalb über ein sehr breites Spektrum. Derzeit geht es in erster Linie darum, mit verschiedensten Methoden dieses Feld einzugrenzen. Für Canelli ist deshalb überhaupt nicht klar, ob Dunkle-Materie-Teilchen auf diese Weise wirklich nachgewiesen werden können und ob sie selber die Entdeckung eines Dunkle-Materie-Teilchens noch miterleben wird.

Doch diese Aussicht ist kein Grund, die Suche nicht weiter voranzutreiben. «Wir suchen nach der dunklen Materie auf unterschiedlichste Arten. Diese Suche muss weitergehen.» Dass es weitergehen wird, ist keine Frage. Auf der Rückfahrt vom «Point 5» ins Hauptquartier des Cern diskutieren Canelli und Caminada bereits, wie sie den Pixeldetektor für die nächste Phase weiter verbessern können.

Theo von Däniken, Journalist und Mitarbeiter der Abteilung Kommunikation

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