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Jagd nach Dunkler Materie: Russland entwickelt Neutronenfänger für internationales Projekt

Cirrusnebel - SNA, 1920, 17.08.2021
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Russische Wissenschaftler haben ein Hybrid-Material entwickelt, das sich für die Herstellung von Hüllen für Detektoren zum Abfangen von Teilchen Dunkler Materie eignet. Das Material kann Fremdstrahlung feststellen und absorbieren. Ergebnisse der Studie sind im Fachjournal „Materials“ veröffentlicht.
Das Material, das auf der Basis von Plastik und des Seltenerdmetalls Gadolinium entwickelt wurde, ist für ein Experiment im Rahmen des internationalen Projekts DarkSide 20K zum Nachweisen Dunkler Materie bestimmt. Dieses Experiment soll im Zeitraum 2025 bis 2026 in Italien gestartet werden.
Die gesamte Materie, aus der Planeten, Sterne, Galaxien und interstellares Gas bestehen, hat nach unterschiedlichen Schätzungen einen Anteil von fünf bis 15 Prozent an der Weltallmasse. Das Übrige soll Dunkle Materie sein, die in keiner Weise mit elektromagnetischen Wellen zusammenwirkt und folglich für die meisten existierenden Geräte unsichtbar bleibt. Da Dunkle Materie an Gravitations-Wechselwirkungen beteiligt ist, sind Wissenschaftler von ihrer Existenz überzeugt. Widrigenfalls wäre es schwer, das untypische Verhalten einiger Galaxien sowie Lichtstörungen bei einigen Sternen und viele andere astronomische Phänomene zu erklären.
Bis jetzt sind keine Teilchen Dunkler Materie, auch keine indirekten Zeichen dafür, registriert worden. Trotz alledem werden immer neue Experimente gestartet, bei denen Wechselwirkungen solcher Teilchen mit Atomen gewöhnlicher Materie festgestellt werden sollen.
Eines der DarkSide-Experimente wird im Nationalen Labor Gran Sasso in Assergi in Italien durchgeführt. Die Forscher werden versuchen, Teilchen Dunkler Materie in riesengroßen Targetkammern abzufangen, die mit dem Innertgas Argon gefüllt sind. Nach Vermutung der Wissenschaftler könnten Teilchen Dunkler Materie bei ihrem Flug durch die jeweilige Targetkammer mit Argonatomen zusammenstoßen und sich daran zerstreuen und somit ihre Existenz in Form von charakteristischen Signalen zum Vorschein bringen.
Nachthimmel (Symbolbild) - SNA, 1920, 17.07.2021
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Um Signale Dunkler Materie von anderen Ereignissen, etwa durchdringender kosmischer Strahlung, abzusondern, werden die Targetkammern tief unter der Erde untergebracht. Ein Problem besteht jedoch darin, dass Hochenergieneutronen, die bei der Spaltung von Uran oder anderen radioaktiven Stoffen, welche als Beimischungen zum Herstellungsmaterial für Detektorhüllen gehören, freigesetzt werden, in den Detektor gelangen könnten.
Russische Wissenschaftler – Mitarbeiter der Mendelejew-Universität für chemische Technologie, der Moskauer Staatlichen Universität MGU, des Vereinigten Instituts für Kernforschung und der Forschungsuniversität Belgorod – haben das Hybrid-Material Polymetylmetakrilat (auch als Organisches Kunststoffglas bekannt) für das Experiment vorgeschlagen. Diese kostengünstige Substanz mit geringem radioaktivem Untergrund enthält außerdem große Mengen an Wasserstoff, dessen Atome zum Auffangen von fremden Hintergrund-Neutronen verhelfen.
Der andere Inhaltsstoff des neuentwickelten Materials ist das Seltenerdmetall Gadolinium, das thermische Neutronen im Vergleich zu den anderen nichtradioaktiven Stoffen am wirksamsten absorbiert.
Wie der Leiter des Lehrstuhls für Chemie und Technologie von Christallen an der Mendelejew-Universtität, Igor Awetissow, sagte, wird im unterirdischen Labor Gran Sasso eine 20-Tonnen-Kammer mit flüssigem Argon gebaut, die potenziell Teilchen Dunkler Materie abfangen werde. „Diese Kammer braucht eine Hülle, die thermische Neutronen verschlucken kann, damit diese ein Zusammenwirken von Teilchen Dunkler Materie mit Argonkernen nicht beeinflussen.“
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