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XENON1T-Detektor: Empfindlichkeits-Rekord bei der Suche nach Dunkler Materie

| Redakteur: Michael Eckstein

WIMPs auf der Spur: Mit einem um vier Größenordnungen empfindlicheren Riesen-Detektor wollen Forscher endlich extrem schwach wechselwirkende Teilchen nachweisen – und damit das Geheimnis der Dunklen Materie entschlüsseln.

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Massereich: Das XENON1T-Experiment im Gran-Sasso-Untergrundlabor mit Wassertank zur Strahlungsabschirmung, der den Detektor enthält (links), und Technikgebäude (rechts).
Massereich: Das XENON1T-Experiment im Gran-Sasso-Untergrundlabor mit Wassertank zur Strahlungsabschirmung, der den Detektor enthält (links), und Technikgebäude (rechts).
(Bild: Roberto Corrieri, Patrick De Perio)

Kosmologische Beobachtungen legen nahe, dass das Universum zum großen Teil aus Dunkler Materie besteht. Was diese Materie ausmacht, ist allerdings bislang vollkommen unbekannt. Extrem schwach wechselwirkende Masseteilchen, so genannte WIMPs (weakly interacting massive particles), sind aussichtsreiche Kandidaten dafür und werden von vielen Theorien vorhergesagt.

Der weltweit empfindlichste Detektor, XENON1T, verwendet kaltes, flüssiges Xenon zur Suche nach WIMPs. Forscher der internationalen XENON-Kollaboration haben nun die Ergebnisse einer einzigartigen Suchkampagne präsentiert, mit der sie tief in den erwarteten Bereich vordringen konnten. Die Messungen laufen weiter, und im nächsten Jahr soll eine größere Version des Detektors in Betrieb gehen – der XENONnT.

1 Mrd. Partikel durchdringen jeden Quadratmeter Erdoberfläche – pro Sekunde

Obwohl geschätzt eine Milliarde WIMPs pro Sekunde durch jeden Quadratmeter der Erdoberfläche fliegen, sind sie äußerst schwer nachzuweisen. Die Empfindlichkeit von Dunkle-Materie-Detektoren wie XENON1T steigt mit der Detektormasse, der Messzeit sowie der erreichten Unterdrückung von radioaktiver Hintergrundstrahlung.

Der umfangreiche Datensatz von 1 Tonne × Jahr stimmt nach Angaben der Wissenschaftler mit der Erwartung für den Hintergrund überein und setzt damit die stärkste Grenze für Spin-unabhängige Wechselwirkung von WIMPs mit normaler Materie für eine WIMP-Masse von mehr als 6 GeV/c². Diese Ergebnisse sollen zeigen, dass WIMPs – falls sie tatsächlich die gesuchten Dunkle-Materie-Teilchen sind – ein derart rares Signal erzeugen, dass selbst der größte und empfindlichste bisher gebaute Detektor es nicht nachweisen kann.

Flüssiges Xenon für die Zeitprojektionskammer

XENON1T besteht aus einem zylindrischen Isoliergefäß von etwas über einem Meter Höhe und Durchmesser, gefüllt mit –95 °C kaltem, flüssigem Xenon. Dessen Dichte ist gut dreimal so hoch wie die von Wasser. Ein WIMP, das mit einem Xenon-Atom wechselwirkt, würde ein schwaches Lichtsignal erzeugen und einige Elektronen freisetzen. Diese würden ihrerseits leicht verzögerte Lichtsignale erzeugen. Hochempfindliche Lichtsensoren könnten beide Signale registrieren. Daraus können die Wissenschaftler den genauen Ort und die freigesetzte Energie jedes einzelnen Ereignisses ableiten. Der Detektor wird daher als Zeit-Projektionskammer bezeichnet.

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung dieses einzigartigen Detektors für die Suche nach seltenen WIMP-Signalen war die Reduktion des dramatisch größeren Hintergrunds, verursacht von natürlicher Radioaktivität und kosmischer Strahlung.

Aktuell ist XENON1T das größte Dunkle-Materie-Experiment mit dem niedrigsten je erreichten Hintergrund im für die WIMP-Suche interessanten Energiebereich: Pro Tag werden in den inneren 1300 der insgesamt 2000 kg Xenon gerade einmal zwei Hintergrundereignisse nachgewiesen, die durch die spezielle XENON-Technologie von WIMP-Signalen unterschieden werden können. Die jetzt bei Physical Review Letters eingereichten Resultate basieren auf 279 Tagen Messung, was einem Datensatz von genau 1 Tonne pro Jahr entspricht. Das ist die erste WIMP-Suche dieses Umfangs mit flüssigem Edelgas.

Verbesserte XENON-Version soll ab 2019 Empfindlichkeit sprunghaft verbessern

Die Empfindlichkeit von XENON1T ist um rund vier Größenordnungen besser als die von XENON10, dem ersten Detektor des XENON-Projekts, der ab 2005 im Gran-Sasso-Untergrundlabor (LNGS) in Italien in Betrieb war. Durch kontinuierliches Steigern der für die Suche verwendeten Masse flüssigen Xenons von anfänglichen 5 kg auf aktuell 1300 kg und gleichzeitiges Reduzieren der Hintergrundsignale um einen Faktor 5000 gelang es der XENON-Kollaboration, die weltweite Suche nach Dunkler Materie jahrelang anzuführen und immer tiefer in den vorhergesagten Parameterbereich für WIMPs vorzudringen.

XENON1T sammelt weiter Daten, bis die derzeit in Vorbereitung befindliche größere Version des Detektors einsatzbereit ist, für die die meisten Komponenten schon ausgelegt sind. Mit dreimal mehr Xenon in der Zeit-Projektionskammer und zehnmal geringerer Hintergrundrate wird XENONnT ab 2019 eine neue Phase der Suche nach Dunkle-Materie-Teilchen starten. „Sie wird dabei eine Empfindlichkeit erreichen, die zu Projektbeginn 2002 unvorstellbar schien“, erklärt Prof. Dr. Uwe Oberlack von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, der zu den Gründungsmitgliedern des XENON-Programms zur Suche nach Dunkler Materie zählt.

167 Forscher von 27 Instituten sind den Partikeln auf der Spur

Die internationale XENON-Kollaboration besteht aktuell aus mehr als 165 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von 27 Institutionen. Aus Deutschland sind das Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg, die Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz und die Westfälische Wilhelms-Universität Münster beteiligt. Gefördert wird das Projekt von der MPG, dem BMBF und der DFG.

Oberlacks Arbeitsgruppe an der Uni Mainz beteiligt sich sowohl bei der Datenanalyse und den Simulationen als auch bei der Detektortechnologie an den XENON-Experimenten. Hier sind die Mainzer Astroteilchenphysiker insbesondere für den Myon-Detektor zuständig und am Xenon-Lagersystem ReStoX sowie am inneren Detektor beteiligt.

Um im nächsten Schritt mit dem XENONnT-Experiment die Empfindlichkeit weiter zu optimieren, arbeitet seine Gruppe an der Entwicklung eines Teildetektors zum Nachweis von Neutronen. Oberlacks Forschung ist auch Bestandteil des Exzellenzclusters PRISMA, das im Rahmen der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder gefördert wird.

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