Ein neues Auge für Dunkle Materie

Astronomische Beobachtungen legen die Anwesenheit von Dunkler Materie als wesentlichen Bestandteil des Universums nahe. Sie müsste etwa fünfmal häufiger sein als normale, sichtbare Materie. Um ihre Existenz zu beweisen, suchen Forscherinnen und Forscher mit extrem empfindlichen Detektoren nach Wechselwirkungen der Dunkle-Materie-Teilchen mit normalen Teilchen. Die internationale Kollaboration XENON, in der ein Team um den Astroteilchenphysiker Prof. Dr. Marc Schumann von der Universität Freiburg mitarbeitet, hat nun erste Ergebnisse ihres neuen Detektors XENON1T veröffentlicht. Nach nur 30 Tagen Messzeit hat sich dieser als der weltweit empfindlichste Detektor für Dunkle Materie erwiesen. Hinweise auf die Dunkle-Materie-Teilchen wurden in dieser kurzen Zeit allerdings noch nicht gefunden.

Eine große Herausforderung beim Nachweis der Teilchen stellen die natürliche Radioaktivität und kosmische Strahlung dar. Diese erzeugen Störsignale, vergleichbar mit dem Licht der Städte, das den Blick auf den Sternenhimmel beeinträchtigt. Die Daten der ersten 30 Messtage zeigen, dass der Detektor den bisherigen Rekord für die geringste Radioaktivität deutlich verbessert. Diese ist bei XENON1T um viele Größenordnungen niedriger als in der normalen irdischen Umgebung. „Aufgrund der Kombination von Größe des Detektors und Reinheit der Messdaten hat XENON1T in den kommenden Jahren sehr gute Chancen, Dunkle-Materie-Teilchen zu finden", sagt Schumann.

Das XENON1T-Instrument ist seit Herbst 2016 im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor im Messbetrieb. XENON1T verwendet etwa 3200 Kilogramm des flüssigen Edelgases Xenon als Detektormaterial und ist damit der größte jemals gebaute Detektor seiner Art. Was man davon in der unterirdischen Experimentierhalle sehen kann, sind ein riesiger stählerner Wassertank und ein dreistöckiges durchsichtiges Gebäude. Der Wassertank ist mit hochreinem Wasser gefüllt, das den Detektor in seiner Mitte vor Strahlung aus der Umgebung und restlicher kosmischer Strahlung schützt. Der eigentliche Detektor, eine so genannte Flüssig-Xenon-Zeit-Projektionskammer, befindet sich in einem Isoliergefäß, das dafür sorgt, dass das flüssige Xenon minus 95 Grad Celsius kalt bleibt – ohne dass das Wasser gefriert.

In der internationalen XENON-Kollaboration arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den USA, Deutschland, Italien, der Schweiz, Portugal, Frankreich, den Niederlanden, Israel, Schweden und den Vereinigten Arabischen Emiraten zusammen. Aus Deutschland sind die Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, das Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz und die Westfälische Wilhelms-Universität Münster beteiligt. Das Freiburger Team um Schumann ist insbesondere für das Datennahmesystem des Experiments verantwortlich und hat das Design sowie den Bau der Zeit-Projektionskammer federführend koordiniert.

Originalpublikation:
First Dark Matter Search Results from the XENON1T Experiment, XENON Collaboration, arXiv:1705.06655
https://arxiv.org/pdf/1705.06655.pdf

Weitere Informationen zu XENON1T

Kontakt:
Prof. Dr. Marc Schumann
Physikalisches Institut
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: 0761/203-96894
E-Mail: marc.schumann@physik.uni-freiburg.de