Empfindlichkeits-Rekord bei der Suche nach Dunkler Materie

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XENON1T setzt neue Grenzen für „WIMPs“

Kosmologische Beobachtungen legen nahe, dass das Universum zum großen Teil aus Dunkler Materie besteht. Was diese Materie ausmacht, ist allerdings bislang vollkommen unbekannt. Der weltweit empfindlichste Detektor, XENON1T, verwendet kaltes, flüssiges Xenon. Die Forscher der internationalen XENON-Kollaboration haben einer Medienmitteilung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik zufolge am 28.05.2018 die Ergebnisse einer einzigartigen Suchkampagne präsentiert, mit der sie tief in den erwarteten Bereich vordringen konnten.

Heute (am 28. Mai 2018) stellten Prof. Elena Aprile von der Columbia University, Sprecherin der XENON-Kollaboration, und Prof. Manfred Lindner vom MPI für Kernphysik in Vorträgen am LNGS bzw. CERN die neuesten Ergebnisse von XENON1T vor, dem weltweit größten und empfindlichsten Detektor zur direkten Suche nach Dunkler Materie in Form von WIMPs (weakly interacting massive particles).

WIMPs sind aussichtsreiche Kandidaten für Dunkle Materie, nach denen eine intensive Suche mit verschiedenartigen Experimenten läuft. 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 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 zeigen, dass WIMPs – falls sie tatsächlich das Dunkle-Materie-Teilchen sind – ein derart seltenes Signal erzeugen, dass selbst der größte und empfindlichste bisher gebaute Detektor es nicht nachweisen kann.

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 5.000 gelang es der XENON-Kollaboration, die weltweite Suche nach Dunkler Materie jahrelang anzuführen und immer tiefer in den vorhergesagten Parameterbereich für WIMPs vorzudringen.

XENON1T besteht aus einem zylindrischen Isoliergefäß von etwas über einem Meter Höhe und Durchmesser, gefüllt mit –95 °C kaltem, flüssigem Xenon, dessen Dichte dreimal so groß ist wie die von Wasser. Darin würde sich die Wechselwirkung eines WIMPs mit einem Xenon-Atom durch ein schwaches Lichtsignal und einige freigesetzte Elektronen, die ihrerseits leicht verzögerte Lichtsignale erzeugen, bemerkbar machen. Hochempfindliche Lichtsensoren registrieren beide Signale. 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 1.300 der insgesamt 2.000 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 × Jahr entspricht. Das ist die erste WIMP-Suche dieses Umfangs mit flüssigem Edelgas.

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 – und dabei eine Empfindlichkeit erreichen, die zu Projektbeginn 2002 unvorstellbar schien. Die Messungen laufen weiter, und im nächsten Jahr soll eine größere Version des Detektors in Betrieb gehen.

Die internationale XENON-Kollaboration besteht 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.

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