Das Instrument ABRACADABRA des MIT: Die Geheimnisse der dunklen Materie aus dem Hut ziehen.

0

Die MIT-Absolventin Chiara Salemi und Professor Lindley Winslow nutzen das ABRACADABRA-Instrument, um Einblicke in die dunkle Materie zu gewinnen.

Im ersten Stock des MIT-Labors für Nuklearwissenschaften hängt ein Instrument namens “A Broadband/Resonant Approach to Cosmic Axion Detection with a Amplifying B-field Ring Apparatus”, kurz ABRACADABRA. Wie der Name schon sagt, besteht das Ziel von ABRACADABRA darin, Axionen nachzuweisen, ein hypothetisches Teilchen, das der Hauptbestandteil der dunklen Materie sein könnte, dem ungesehenen und noch unerklärten Material, das den Großteil des Universums ausmacht.

Für Chiara Salemi, die im vierten Jahr ihr Physikstudium in der Gruppe von Lindley Winslow, dem Jerrold R. Zacharias Career Development Associate Professor of Physics, abgeschlossen hat, ist ABRACADABRA das perfekte Instrument, an dem sie während ihrer Doktorarbeit arbeiten kann. “Ich wollte ein kleines Experiment, damit ich all die verschiedenen Teile des Experiments durchführen konnte”, sagt Salemi. ABRACADABRA, das aus einem extrem gut abgeschirmten Magneten besteht, hat die Größe eines Basketballs.

Salemis Bereitschaft, an allen Aspekten zu arbeiten, ist einzigartig. “Experimentalphysik besteht grob aus drei Komponenten: Hardware, Berechnung und Phänomenologie”, erklärt Winslow, wobei die Schülerinnen und Schüler zu einer der drei Komponenten tendieren. “Chiaras Affinität und Stärken sind gleichmäßig auf die drei Bereiche verteilt”, sagt Winslow. “Das macht sie zu einer besonders starken Schülerin”.

Seit Beginn ihrer Doktorarbeit hat Salemi an allem gearbeitet, von der Aktualisierung der Schaltkreise von ABRACADABRA für den zweiten Lauf bis hin zur Analyse der Daten des Instruments, um nach dem ersten Anzeichen eines dunklen Materieteilchens zu suchen.

Ein glücklicher Zufall

Als Salemi aufs College ging, hatte sie nicht vor, Physik zu studieren. “Ich tendierte zur Wissenschaft, aber ich war mir nicht ganz sicher, dass oder in welchem Bereich innerhalb der Wissenschaft ich mich wohl fühlen würde. Während ihres ersten Semesters an der University of North Carolina in Chapel Hill nahm sie Physik mit dem Ziel, herauszufinden, ob dies ein Gebiet sein könnte, für das sie sich interessieren könnte. “Und dann habe ich mich einfach total in sie verliebt, weil ich angefangen habe zu forschen, und Forschung macht Spaß.

Während ihrer gesamten Laufbahn während des Studiums sammelte Salemi Forschungserfahrungen. Sie betrieb Radioteleskope in West Virginia. Sie verbrachte ein Semester in Genf in der Schweiz, um bei der Europäischen Organisation für Kernforschung, besser bekannt als CERN, nach Higgs-Bosonenzerfällen zu suchen. Am Lawrence Berkeley National Laboratory tüftelte sie an der Konstruktion von Halbleitern für den Nachweis von Neutrinos. Bei einer dieser Forschungserfahrungen, einem Sommerprogramm am Fermilab in Illinois, begann sie mit Axionen zu arbeiten. “Wie viele Dinge im Leben war es ein Unfall.”

Salemi hatte sich für das Sommerprogramm beworben, weil sie weiter an Neutrinos arbeiten wollte, und “Fermilab ist die Drehscheibe für alles, was mit Neutrinos zu tun hat”. Doch als sie dort ankam, fand Salemi heraus, dass sie für die Arbeit an Axionen vorgesehen war. “Ich war sehr enttäuscht, aber am Ende verliebte ich mich in die Axionen, weil sie wirklich interessant sind und sich von anderen Experimenten der Teilchenphysik unterscheiden.

Die Elementarteilchen im Universum und die Kräfte, die ihre Wechselwirkungen regulieren, werden durch das Standardmodell der Teilchenphysik erklärt. Der Name täuscht über die Bedeutung dieser Theorie hinweg; das Standardmodell, das in den frühen 1970er Jahren entwickelt wurde, beschreibt fast alles in der subatomaren Welt. “Aber es gibt einige riesige klaffende Löcher”, sagt Salemi. “Und eines dieser riesigen klaffenden Löcher ist die dunkle Materie.”

Dunkle Materie ist Materie, die wir nicht sehen können. Im Gegensatz zu normaler Materie, die mit Licht wechselwirkt – sie absorbiert es, reflektiert es, strahlt es aus – interagiert dunkle Materie nicht oder nur wenig mit Licht, so dass sie sowohl für das bloße Auge als auch für gängige Instrumente unsichtbar ist. Ihre Existenz wird aus ihrem Einfluss auf die sichtbare Materie abgeleitet. Trotz ihrer Unsichtbarkeit ist dunkle Materie weitaus häufiger anzutreffen, sagt Salemi. “Es gibt fünfmal mehr dunkle Materie im Universum als normale Materie.”

Wie ihr sichtbares Gegenstück, das sich aus Teilchen wie Neutronen, Protonen und Elektronen zusammensetzt, besteht auch die Dunkle Materie aus Teilchen, aber die Physiker wissen immer noch nicht genau, welcher Art sie ist. Ein Kandidat ist das Axion, und ABRACADABRA wurde entworfen, um es zu finden.

Klein aber mächtig

Verglichen mit dem Large Hadron Collider des CERN, der die Aufgabe hat, vorgeschlagene Teilchen nachzuweisen, und einen Umfang von 16,6 Meilen hat, ist ABRACADABRA winzig. Für Salemi ist das Instrument repräsentativ für eine neue Ära der Tabletop-Physik. Die Schaffung immer größerer Instrumente zur Suche nach immer schwer fassbaren Teilchen war die Strategie, die man verfolgt hatte, aber diese sind immer teurer geworden. “Deshalb kommen die Leute mit allen möglichen wirklich interessanten Ideen, wie man immer noch Entdeckungen machen kann, aber mit einem kleineren Budget”, sagt Salemi.

Das Design von ABRACADABRA wurde 2016 von drei Theoretikern entwickelt: Jesse Thaler, außerordentlicher Professor für Physik; Benjamin Safdi, damals Pappalardo-Stipendiat am MIT; und Yonatan Kahn PhD ’15, damals graduierter Student von Thaler. Winslow, ein experimenteller Teilchenphysiker, nahm das des

Share.

Leave A Reply