// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
DarkSide-50-Detektor untersucht „nukleare“ Dunkle Materie
Dunkle Materie könnte nicht aus elementaren Teilchen bestehen, sondern aus riesigen Verbünden vieler dunkler Bausteine. Eine neue Auswertung von 532 Tagen DarkSide-50-Daten findet dafür keinen belastbaren Hinweis, schränkt aber erstmals solche zusammengesetzten Kandidaten mit einer Flüssigargon-Zeitprojektionskammer ein. Entscheidend ist, wie ihre angenommene innere Struktur das Streuverhalten im Detektor verändert.
Batavia (U.S.A.). Dunkle Materie verrät sich bislang vor allem durch ihre gravitative Wirkung. Viele direkte Suchprogramme gehen von einzelnen, praktisch punktförmigen Teilchen aus, die nur selten mit Atomkernen wechselwirken, während einige theoretische Modelle Verbünde aus sehr vielen hypothetischen dunklen Nukleonen erlauben, also Bausteinen eines dunklen Gegenstücks zu Atomkernen. Solche ultraschweren Objekte könnten beim Durchflug durch einen Detektor mehrfach streuen und dadurch ein anderes Signal erzeugen.
In bestimmten Modellen könnten diese dunklen Kerne bis zu 10²⁰ Bestandteile enthalten. Ihre endliche Größe verändert, wie Impuls auf einen Argonkern übertragen wird, und kann gerade bei großen dunklen Kernen über den sogenannten Formfaktor energiereiche Rückstöße unterdrücken. Damit hängt die Nachweisbarkeit nicht nur von Gesamtmasse und Wirkungsquerschnitt ab, sondern auch von der angenommenen Masse der einzelnen dunklen Nukleonen.
Die DarkSide-50-Kollaboration hat für die neue Suche Daten aus einer 532-tägigen Messkampagne mit unterirdischem Argon ausgewertet. Der Detektor arbeitete tief unter dem Gran-Sasso-Massiv in Italien als zweiphasige Zeitprojektionskammer mit flüssigem Argon, in der Teilchen zunächst ein promptes Lichtsignal und anschließend ein verzögertes Signal aus herausgelösten Elektronen erzeugen können. Für die Suche nach ultraschwerer Dunkler Materie konzentrierte sich das Team vor allem auf das gesamte prompte Licht entlang einer möglichen Spur.
Anders als ein gewöhnlich betrachtetes WIMP könnte ein zusammengesetztes Objekt auf seinem Weg durch das Argon viele Rückstöße verursachen. Die Forscher modellierten deshalb ganze Folgen von Energiedepositionen und berücksichtigten zugleich die endliche Größe des dunklen Kerns. Als Masse eines einzelnen dunklen Nukleons setzten sie 10, 50, 100 oder 500 GeV/c² an. Zusätzlich berechneten sie, wie viel Energie solche Kandidaten bereits beim Durchqueren der Erde verlieren könnten, bevor sie den unterirdischen Detektor erreichen.
Die beobachtete Energieverteilung ließ sich mit den erwarteten radiogenen Untergründen des Detektors beschreiben. Einen belastbaren Überschuss, der auf die gesuchten zusammengesetzten Teilchen hindeutet, ergab die Auswertung nicht und die Kollaboration leitete deshalb für jede der vier angenommenen Nukleonenmassen Ausschlussbereiche auf 90-Prozent-Konfidenzniveau ab. Damit werden Kombinationen aus Gesamtmasse des dunklen Kerns und Streuquerschnitt ausgeschlossen, die im Detektor ein ausreichend deutliches Signal hätten erzeugen müssen.
Die Grenzen der Suche entstehen aus mehreren Effekten. Bei stark wechselwirkenden, vergleichsweise leichteren Kandidaten kann die darüberliegende Erde einen großen Teil der Bewegungsenergie abbauen, während bei sehr großen Wirkungsquerschnitten die geometrische Größe des angenommenen dunklen Kerns eine Modellgrenze setzt. Für besonders hohe Gesamtmassen drücken Formfaktoreffekte die Rückstoßenergien wiederum unter die Nachweisschwelle, während auf der anderen Seite die begrenzte Messdauer und der erwartete Teilchenfluss die Reichweite bestimmen.
Die Arbeit ist die erste Suche nach nuklearer ultraschwerer Dunkler Materie mit einer zweiphasigen Flüssigargon-Zeitprojektionskammer. Neu ist vor allem, dass die Analyse die Masse der hypothetischen dunklen Nukleonen systematisch variiert und dadurch deutlich unterschiedliche Ausschlussflächen erhält, weil die innere Struktur Streudynamik und Energiedeposition im Detektor verändert. Damit zeigen bereits vorhandene Daten, dass direkte Dunkle-Mate