Der Large Hadron Collider registriert seit Jahren kurze Strahlverluste, wenn mikrometergroßer Staub in die Protonenstrahlen gelangt. Zwei Physiker schlagen vor, dass ein kleiner Teil davon durch Axion-Quark-Nuggets ausgelöst werden könnte, die nahegelegenen Fels durchqueren. Nachgewiesen ist diese Dunkle Materie nicht; Zeitkorrelationen rund um den Ring könnten das Modell jedoch direkt testen.

Das Wichtigste

  • Am LHC bezeichnet UFO einen plötzlichen Strahlverlust, der meist auf mikrometergroßen Staub im Protonenstrahl zurückgeführt wird; gemeint ist kein außerirdisches Flugobjekt.
  • Eine Studie mit zwei Autoren in Physical Review D schlägt vor, dass Antimaterie-Axion-Quark-Nuggets mit etwa 5 bis 1.000 Gramm beim Durchqueren von Gestein in bis zu ungefähr 100 Kilometern Entfernung vom LHC akustische Stoßwellen erzeugen könnten.
  • Das Modell schätzt, dass etwa 1 % bis 10 % der UFO-Ereignisse durch diesen Mechanismus entstehen könnten. Dieser Anteil folgt aus Modellannahmen; in den LHC-Daten wurde kein Axion-Quark-Nugget identifiziert.
  • Die deutlichste Signatur wären mehrere korrelierte UFO-Ereignisse an weit voneinander entfernten Orten des Rings innerhalb von ungefähr 6 Millisekunden bis 2 Sekunden. Gewöhnliche lokale Staubereignisse erzeugen ein solches Muster seltener.
  • Die Rechnung ergibt, dass drei korrelierte Ereignisse innerhalb von zwei Sekunden bei rund 360 Messstunden über den angenommenen Massenbereich ein Signal-Rausch-Verhältnis über 5 liefern könnten. Gesteinsdämpfung, Staubverteilung und korrelierte Hintergründe müssen mit realen Daten geprüft werden.

Der Large Hadron Collider könnte nicht nur Protonen aufeinanderprallen lassen, um nach neuen Teilchen zu suchen. Er könnte auch wie ein riesiges unterirdisches Stethoskop auf Erschütterungen lauschen, die ein makroskopischer Kandidat für Dunkle Materie beim Durchqueren des Gesteins hinterlässt. Die Physiker Xunyu Liang und Ariel Zhitnitsky von der University of British Columbia schlagen in Physical Review D vor, mit dem vorhandenen LHC-System zur Überwachung von Strahlverlusten nach Mehrpunkt-Ereignissen von Axion-Quark-Nuggets, kurz AQNs, zu suchen.

Es handelt sich um ein Modell, das noch an Daten geprüft werden muss, nicht um einen Nachweis Dunkler Materie. Unter den AQN-Annahmen der Studie könnten etwa 1 % bis 10 % der am LHC als Unidentified Falling Objects, kurz UFOs, bezeichneten Ereignisse damit zusammenhängen. Die Autoren haben in den Betriebsdaten kein einzelnes Ereignis als bestätigtes AQN-Signal ausgewählt. Neu ist eine klare Zeit- und Ortsstruktur, nach der gesucht werden kann und mit der sich die Hypothese einschränken oder ausschließen lässt.

Ein UFO am Collider ist ein Staubalarm

Seit 2010 registriert der LHC eine Klasse kurzer Strahlverluste: Mikrometergroßer Staub löst sich von der Oberfläche des Strahlschirms, lädt sich auf, wird zum Protonenstrahl gezogen und kollidiert unelastisch mit hochenergetischen Protonen. Ein typisches Ereignis dauert nur etwa 0,1 Millisekunden bis einige Millisekunden, kann aber einen Strahlabbruch auslösen und sogar einen supraleitenden Magneten quenchen. Betriebs- und Experimentalstudien des CERN liefern zahlreiche Belege für die Stauberklärung. Weniger klar ist, wie sich die meisten Körner, die am Boden des Strahlschirms haften, zunächst lösen.

Eine akustische Druckwelle läuft durch den LHC-Strahlschirm und löst ein mikrometergroßes Staubkorn zwischen zwei Protonenstrahlen
Im Modell erzeugt ein nahes AQN eine akustische Stoßwelle im Gestein. Die Welle löst zuerst mikrometergroßen Staub vom Strahlschirm; erst im Protonenstrahl verursacht das Korn einen UFO-Strahlverlust.

Rund 4.000 Strahlverlustmonitore sind entlang des 27 Kilometer langen LHC-Rings verteilt. Sie schützen die Maschine, wenn Teilchen den Strahl verlassen. Ein einzelnes Staubkorn erzeugt normalerweise nur lokal eine Spitze im Millisekundenbereich. Läuft jedoch eine äußere mechanische Störung durch die gesamte Anlage, könnten weit voneinander entfernte Monitore Ereignisse kurz nacheinander aufzeichnen. Genau diese räumliche und zeitliche Korrelation nutzt der neue Vorschlag.

Wie ein makroskopischer Kandidat Staub durch Fels hindurch lösen könnte

Ein AQN ist ein hypothetischer Klumpen aus Quarkmaterie mit Kerndichte, der durch ein Axionfeld stabilisiert wird. Das Modell lässt Materie- und Antimaterievarianten gleichzeitig zu und unterscheidet sich von der Suche nach klassischen schwach wechselwirkenden massereichen Teilchen oder einzelnen Axionen. Die Studie betrachtet Nuggets mit etwa 5 bis 1.000 Gramm. Ihr Volumen bliebe winzig, ihre Zahl und die Häufigkeit, mit der sie die Erde durchqueren, wären vergleichsweise gering. Der vorgeschlagene Mechanismus konzentriert sich auf Antimaterie-AQNs, weil sie nach dem Eintritt in die Erde mit gewöhnlicher Materie annihilieren und Energie freisetzen könnten.

Eine akustische Störung läuft entlang der LHC-Strahlführung, während drei weit entfernte Strahlverlustmonitore nacheinander scharfe Pulse registrieren
Löst eine akustische Wellenfront an entfernten LHC-Positionen nacheinander Staub, hinterlassen drei Monitore innerhalb von zwei Sekunden drei korrelierte Pulse—die wichtigste Erkennungssignatur der Studie.

Im akustischen Modell der Studie erzeugt ein Antimaterie-AQN, das sich schnell unter der Erde bewegt, entlang seiner Bahn eine Stoßwelle. Führt der Weg in höchstens ungefähr 100 Kilometern Entfernung am LHC vorbei, könnte die Druckstörung im Tunnel die Haftkraft zwischen einzelnen Staubkörnern und dem Strahlschirm überwinden und sie in das Vakuumrohr schütteln. Erst danach würde der Staub mit dem Protonenstrahl wechselwirken und einen bekannten UFO-Strahlverlust verursachen. Die Dunkle Materie trifft im Modell also nicht direkt auf den Protonenstrahl.

Diese Kausalkette enthält mehrere Abschätzungen: Masse und Fluss der AQNs, Annihilationsenergie im Gestein, Druck und Frequenz der Schallwelle, Dämpfung bei der Ausbreitung sowie Größe, Lage und Haftung des Staubs am Strahlschirm. Die Studie betont, dass Schallabsorption in Festkörpern komplex ist und die angenommene schwache Dämpfung experimentell kalibriert werden muss. Die Rechnung zeigt daher nur, dass Staub möglicherweise gelöst werden könnte; sie belegt nicht, dass die Maschine diesen Mechanismus bereits gemessen hat.

Eine Signatur rund um den Ring in weniger als zwei Sekunden

Lokale Staubquellen beeinflussen normalerweise nur benachbarte Abschnitte. Eine AQN-Schallwelle könnte im Modell dagegen den gesamten LHC-Ring mit rund 8,5 Kilometern Durchmesser durchqueren. Die Autoren empfehlen deshalb die Suche nach einem UFO-Ausbruch: Mehrere Ereignisse treten innerhalb von ungefähr 6 Millisekunden bis 2 Sekunden an voneinander getrennten Ringpositionen auf, wobei die Zeitabstände zur Ausbreitungsrichtung der Welle und zu den Entfernungen zwischen den Monitoren passen. Diese weitreichende, kurzzeitige Korrelation kann zufälligen Hintergrund besser ausschließen als ein einzelner Strahlverlust.

Die Studie setzt konservativ höchstens 10 gewöhnliche UFO-Ereignisse pro Stunde als Hintergrund an und nimmt etwa 12 Betriebsstunden des LHC pro Tag an. Nach ungefähr 360 Stunden Daten wären zwei korrelierte Ereignisse nur für schwerere AQNs deutlich unterscheidbar. Drei korrelierte Ereignisse im selben Zwei-Sekunden-Fenster könnten dagegen im gesamten verwendeten Massenbereich ein Signal-Rausch-Verhältnis über 5 erreichen. Diese Werte sind Vorhersagen der Modellempfindlichkeit und keine bereits erzielte experimentelle Signifikanz.

Mit den vorhandenen LHC-Monitoren ließe sich der Test durchführen, ohne einen neuen großen Detektor für Dunkle Materie zu bauen. Eine zuverlässige Analyse müsste dennoch Maschinenzustand, Staubaktivität und andere Schwingungshintergründe berücksichtigen. Die Autoren schlagen außerdem vor, Strahlverluste mit dem seismischen CERN-Netz, verteilter akustischer Sensorik und Infraschalldaten abzugleichen. Übereinstimmende Ankunftszeiten in verschiedenen Systemen könnten eine gemeinsame Wellenfront von lokalem mechanischem Rauschen unterscheiden.

Alte Monitore sollen eine neue Frage beantworten

Der unmittelbarste nächste Schritt ist keine Entdeckungsmeldung, sondern eine erneute Analyse der Strahlverlustdaten mit klaren Auswahlkriterien: UFOs in verschiedenen Ringbereichen innerhalb von zwei Sekunden finden, prüfen, ob ihre Positionen zu einer laufenden Wellenfront passen, und seismische sowie akustische Hintergründe abgleichen. Fehlt der erwartete Anteil an Kandidaten, könnten die Daten stattdessen Massenverteilung, Fluss oder akustische Kopplung der AQNs einschränken.

Der Reiz des Vorschlags liegt darin, ein für die Maschinensicherheit gebautes Sensornetz zur Prüfung eines makroskopischen Dunkle-Materie-Modells an der Grenze zwischen Teilchenphysik und Kosmologie einzusetzen. AQNs bleiben jedoch hypothetisch, und sowohl die Schallausbreitung als auch die Staubfreisetzung sind erheblich unsicher. Erst eine transparente Analyse, die bekannte Betriebshintergründe entfernt und in unabhängigen Detektorsystemen ein übereinstimmendes Signal findet, könnte aus einer Anomalie dieses unterirdischen Stethoskops einen Hinweis auf Dunkle Materie machen.