Neue Empfindlichkeit

Kosmologische Beobachtungen zeigen, dass das Universum zum großen Teil aus Dunkler Materie besteht. Was diese ausmacht, ist allerdings bislang unbekannt. Physikalische Theorien sagen voraus, dass es sich bei den Dunkle-Materie-Teilchen um so genannte WIMPs (weakly interacting massive particles) handeln könnte. Die internationale Kollaboration XENON, in der ein Team um die Astroteilchenphysiker Prof. Dr. Marc Schumann und Dr. Daniel Coderre von der Universität Freiburg federführend mitarbeitet, hat nun die stärkste Grenze für die Wechselwirkung von WIMPs mit normaler Materie aufgestellt.

In zeitgleichen Vorträgen am Gran Sasso-Untergrundlabor LNGS in Italien und am europäischen Forschungszentrum CERN in Genf/Schweiz haben Forschende die neuen Ergebnisse von XENON1T vorgestellt. Dabei handelt es sich um den weltweit größten und empfindlichsten Detektor, der nach WIMPs sucht. Obwohl geschätzt eine Milliarde dieser Teilchen pro Sekunde durch jeden Quadratmeter der Erdoberfläche fliegen, sind sie äußerst schwer nachzuweisen. Der außergewöhnlich umfangreiche Datensatz von XENON1T stimmt mit den erwarteten Werten für die Hintergrundsignale, die durch natürliche Radioaktivität verursacht werden, überein und setzt damit die stärkste Grenze für die Wechselwirkung von WIMPs mit normaler Materie. Diese Ergebnisse zeigen, dass WIMPs – falls sie tatsächlich das Dunkle-Materie-Teilchen sind – ein derart seltenes Signal erzeugen, dass selbst der bisher größte und empfindlichste Detektor es nicht nachweisen kann.

Der Detektor XENON1T ist seit Herbst 2016 im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor im Messbetrieb. Er besteht aus einem zylindrischen Isoliergefäß von etwas über einem Meter Höhe und Durchmesser, gefüllt mit –95 Grad Celsius kaltem, flüssigem Xenon. In diesem Gas würde sich die Wechselwirkung eines WIMPs mit einem Xenon-Atom durch ein schwaches Lichtsignal und freigesetzte Elektronen, die ihrerseits leicht verzögerte Lichtsignale erzeugen, bemerkbar machen. Hochempfindliche Lichtsensoren registrieren beide Signale. Daraus können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den genauen Ort und die freigesetzte Energie jedes einzelnen Ereignisses ableiten. Die größte Herausforderung bei der Entwicklung des Detektors war es, Hintergrundsignale zu reduzieren, die durch natürliche Radioaktivität verursacht werden. Das Experiment wird zudem 1,5 Kilometer unter der Erde durchgeführt, wo es Gestein vor potenziellen Störsignalen von kosmischer Strahlung abschirmt. Im nächsten Jahr werden die Forschenden eine größere Version des Detektors in Betrieb nehmen.

Die internationale XENON-Kollaboration besteht aus mehr als 165 Wissenschaftlern von 27 Institutionen. Die Freiburger Arbeitsgruppe für experimentelle Astroteilchenphysik hat den Bau des Detektors geplant und organisiert sowie das Datenauslesesystem entwickelt. Zudem leitete der Freiburger Nachwuchswissenschaftler Daniel Coderre die jetzt veröffentlichte Analyse, zu der insgesamt mehr als 50 Forschende beigetragen haben.

Artikel zu Marc Schumanns Forschung im Onlinemagazin der Universität Freiburg

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