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Wie Nanosprengstoffe helfen könnten, eines der größten Geheimnisse der Astrophysik zu lösen
Eines der großen Geheimnisse der modernen Astrophysik ist die Natur der Dunklen Materie. Dies ist das mysteriöse Zeug, von dem Astrophysiker sagen, dass es existieren muss, um die Gravitationskräfte bereitzustellen, die notwendig sind, um Galaxien zusammenzuhalten.
Der allgemeine Konsens ist, dass es im Universum etwa fünfmal so viel Dunkle Materie wie sichtbare Materie gibt. Und das wirft offensichtliche Fragen auf: Was ist das für ein Zeug und wie können wir es erkennen?
Diese Fragen haben einen allmächtigen Wettlauf unter Physikern ausgelöst, um dunkle Materie zu erkennen und ihre Eigenschaften zu messen. Doch die Ergebnisse ihrer Experimente sind rätselhaft und widersprüchlich. Einige Labore behaupten, das Zeug entdeckt zu haben, während andere die Möglichkeit auszuschließen scheinen.
Was natürlich benötigt wird, sind mehr Daten von einer größeren Vielfalt an Detektoren. Und heute schlagen Alejandro Lopez-Suarez von der University of Michigan in Ann Arbor und ein paar Freunde eine neue Idee vor. Sie hoffen, dunkle Materie anhand ihrer Wirkung auf Sprengstoffe erkennen zu können.
Ihr Plan ist es, kleine explosive Partikel zu erzeugen, die empfindlich genug sind, um zu explodieren, wenn sie von einem Klumpen dunkler Materie getroffen werden. Danach lehnen sich die Physiker zurück und warten auf das anschließende Feuerwerk.
Die Schlüsseltechnologie hinter diesem Plan ist die Entwicklung von Granulaten aus Thermit-Materialien, die explodieren, wenn sie mit einem Oxidationsmittel in Kontakt kommen. Ingenieure verwenden seit langem Granulat im Mikrometerbereich, aber in den letzten Jahren haben sie auch damit begonnen, Granulate in Nanogröße zu entwickeln.
Die verwendeten Materialien sind relativ einfach. Die Nanopartikel können aus einem Metall wie Aluminium oder Ytterbium bestehen und das Oxidationsmittel könnte so einfach wie Eisenoxid sein.
Bei ausreichender Energie, um die Reaktion in Gang zu setzen, erwärmt sich das Metall und reagiert zu einem Metalloxid. Wenn ein [Partikel aus dunkler Materie] auf die Metallschicht trifft, kann sich das Metall ausreichend erhitzen, um die chemische Energiebarriere zwischen dem Metall und dem Metalloxid zu überwinden, sagen Lopez-Suarez und Co. Es kommt zu einer Explosion.
Auch der Aufbau eines solchen Detektors ist relativ einfach. Es besteht aus einer Vielzahl von Zellen, die voneinander isoliert sind. Jede Zelle besteht aus einem oxidierenden Gel, in das Metall-Nanopartikel eingebettet sind.
Ein voller Detektor würde viele Zellen benötigen, vielleicht 10^14 davon, um ein Zielchaos von sagen wir einem Kilogramm oder so zu erzeugen. Die Physiker können beobachten, was passiert, indem sie auf die Explosionen lauschen, während sie passieren.
Dieses Design hat eine Reihe von Vorteilen gegenüber aktuellen Detektoren. Der erste ist, dass es relativ einfach ist, dunkle Materieteilchen von Hintergrundrauschen zu unterscheiden, die beispielsweise durch ionisierende Strahlung erzeugt werden.
Wenn ein Teilchen dunkler Materie auf ein Nanoteilchen trifft, erwärmt es sich und löst eine Mikroexplosion aus. Dadurch werden andere Nanopartikel in der Nähe erhitzt, was zu einer Kettenreaktion führt, die sich durch die Zelle ausbreitet. Das Ergebnis ist, dass eine einzelne Zelle innerhalb des Detektors explodiert.
Im Gegensatz dazu würde ionisierende Strahlung, wie zum Beispiel ein Alpha-Teilchen, viele Zellen durchdringen und sie alle explodieren lassen. So kann die Signatur einer einzelnen explodierenden Zelle leicht von den Spuren unterschieden werden, die durch Hintergrundgeräusche erzeugt werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass dieser Kettenreaktionsmechanismus das Signal eines einzelnen Teilchens der Dunklen Materie verstärkt, wodurch es leichter zu erkennen ist. Und es hat auch eine niedrige Energieschwelle, die es ermöglicht, auch relativ helle Teilchen der dunklen Materie zu erkennen.
Eine wichtige Frage ist natürlich, ob ein solcher Detektor funktionieren würde. Lopez-Suarez und Co. haben die Zahlen durchgesehen und festgestellt, dass Aluminium- oder Ytterbium-Nanopartikel, die in ein oxidierendes Gel eingebettet sind und die Temperatur von flüssigem Wasserstoff halten, ganz gut funktionieren sollten.
Das ist eine interessante Idee. Der nächste Schritt wäre, mit dem Testen dieser Materialien zu beginnen, um zu sehen, wie sie zu einem Prototyp-Detektor kombiniert werden könnten. Ein interessantes Problem für diese Gruppe ist die Herstellung eines solchen Detektors auf der Erdoberfläche, wo das Hintergrundrauschen durch ionisierende Strahlung wahrscheinlich hoch ist.
Viele Experimente mit Dunkler Materie sind aus diesem Grund in tiefen unterirdischen Minen untergebracht. Auch diese neue muss möglicherweise unterirdisch untergebracht und wahrscheinlich auch dort hergestellt werden.
Derzeit besteht großes Interesse an neuartigen Detektoren für dunkle Materie. Letztes Jahr haben wir uns ein Design mit einer DNA-Tracking-Kammer angesehen, die dunkle Materieteilchen anhand ihrer Wirkung auf einzelne DNA-Stränge erkennt.
Dies ist ein weiterer ebenso innovativer Ansatz. Es wird interessant sein zu sehen, ob einer von ihnen das Licht der Welt erblickt (sozusagen Husten).
Ref: http://arxiv.org/abs/1403.8115 : Neue Detektoren für dunkle Materie mit nanoskaligen Sprengstoffen