In einem unterirdischen Tunnel an der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz, in einer Tiefe von etwa 350 Fuß, liegt der Large Hadron Collider (LHC), eines der komplexesten wissenschaftlichen Instrumente der heutigen Zeit. Dieses Gerät, betrieben von CERN, ist darauf ausgelegt, Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit kollidieren zu lassen, wodurch Bedingungen ähnlich denen geschaffen werden, die unmittelbar nach dem Urknall herrschten.

Eines der Hauptziele des LHC ist die Suche nach dunkler Materie, einer mysteriösen Form von Materie, die etwa 27% des Universums ausmacht, aber noch nicht direkt beobachtet wurde. Wissenschaftler wie der Physiker Ashutosh Kotwal versuchen, die Natur dieser Materie mit Hilfe von ausgeklügelten Detektoren zu entdecken, die wie riesige dreidimensionale Digitalkameras funktionieren. Sie zeichnen ständig Teilchenströme auf, die bei Protonenkollisionen entstehen, in der Hoffnung, unsichtbare Spuren dunkler Materie zu entdecken.

Der LHC ermöglicht es Forschern, nach dunkler Materie zu suchen, indem sie Techniken wie "fehlenden Impuls" verwenden. Dies bezieht sich auf Situationen, in denen es einen Mangel an Energie und Impuls in den nachgewiesenen Teilchen gibt, was auf das Vorhandensein unsichtbarer dunkler Materie hindeuten könnte. Die Forscher analysieren die Daten mit ausgeklügelten Algorithmen und künstlicher Intelligenz, um Millionen von Kollisionen zu filtern und diejenigen zu behalten, die Hinweise auf dunkle Materie enthalten könnten.

Jüngste Forschungen am LHC beinhalten die Untersuchung von dunklen Photonen, hypothetischen Teilchen, die durch den Zerfall von Higgs-Bosonen entstehen könnten. Diese dunklen Photonen werden als exotisch angesehen, weil sie nicht zum Standardmodell der Teilchenphysik gehören. Sie könnten neue Einblicke in die Struktur des Universums und die Natur der dunklen Materie bieten.

Darüber hinaus hat der LHC kürzlich seine Kollisionsenergie auf rekordverdächtige 13,6 TeV erhöht, was eine tiefere Erforschung des Quark-Gluon-Plasmas ermöglicht, eines Materiezustands, der in den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall existierte. Diese Forschung hilft nicht nur, die frühen Momente des Universums zu verstehen, sondern kann auch zu genaueren Messungen der Eigenschaften dunkler Materie und anderer exotischer Teilchen beitragen.

Trotz großer Fortschritte bleibt die dunkle Materie eines der größten Rätsel der modernen Physik. Wissenschaftler glauben, dass ihre Entdeckung eine Kombination verschiedener Ansätze erfordert, einschließlich Experimenten in Beschleunigern wie dem LHC sowie astrophysikalischen Beobachtungen durch Teleskope auf der Erde und im Weltraum. Durch diese Bemühungen hoffen sie, die dunkle Seite des Universums endlich zu erhellen.

Neben technologischen Innovationen bei den Detektoren planen die Forscher, neue Systeme wie "Track-Trigger"-Algorithmen einzuführen, die künstliche Intelligenz nutzen, um schnell vorübergehende Teilchenspuren zu identifizieren und zu verfolgen. Diese Systeme ermöglichen die Auswahl der wichtigsten Daten in Echtzeit, was die Effizienz bei der Erkennung potenzieller Beweise für dunkle Materie erheblich steigert.

Kotwal und sein Team arbeiten derzeit an der Entwicklung eines Prototyps dieses Geräts, und es wird erwartet, dass das vollständige System in den kommenden Jahren in den LHC-Detektoren installiert wird. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Leistung von Beschleunigern und Detektoren glauben die Wissenschaftler, dass sie der Beantwortung der Frage nach der Existenz und Natur der dunklen Materie immer näher kommen.

Diese Forschung ist entscheidend für das Verständnis der grundlegenden Struktur des Universums und könnte die Tür zu neuen physikalischen Theorien öffnen, die unser Wissen über das derzeit akzeptierte Standardmodell der Teilchenphysik hinaus erweitern würden.

Quelle: Duke University