11.02.2021

Auf der Spur der dunklen Materie

Zusage für Cosinus-Experiment im Gran-Sasso-Labor erteilt.

Bisher blieb es allen Experimenten verwehrt, die rätselhafte dunkle Materie nachzuweisen. Mit einer Ausnahme: Einzig das DAMA-Experiment liefert seit mehr als zwanzig Jahren zuverlässig Signale. Doch um Entdeckung im wissen­schaftlichen Sinn zu sprechen, müsste sich dieses Zeichen von dunkler Materie auch in anderen Versuchen zeigen. Ein neuer, kreativer Ansatz soll jetzt Klarheit bringen: Kürzlich hat das Cosinus-Experiment die Zusage vom Gran-Sasso-Labor erhalten. Der Aufbau kann beginnen.

Abb.: Illustra­tion des Cosinus-Experi­ments im Gran-Sasso-Unter­grundlabor....
Abb.: Illustra­tion des Cosinus-Experi­ments im Gran-Sasso-Unter­grundlabor. (Bild: MPP)

Die Ergebnisse aus dem DAMA-Experiment sind in der Tat aufsehen­erregend. Denn sie entsprechen genau den Erwartungen der Physik: „Dunkle Materie umgibt das Zentrum unserer Galaxie wie eine Wolke“, sagt Karoline Schäffner, Leiterin der COSINUS-Gruppe am Max-Planck-Institut für Physik. „Da unser Sonnensystem um diesen Mittel­punkt kreist und die Erde um die Sonne, sollte der Beschuss durch Dunkle-Materie-Teilchen über das Jahr hinweg schwanken – mit einem Höhepunkt im Juni.“ Exakt diese Variation hat DAMA beobachtet. Andere Experi­mente konnten das Resultat bisher nicht bestätigen. Mit Cosinus startet ein Forschungsteam jetzt einen neuen Anlauf. Die Idee stammt von Karoline Schäffner und Florian Reindl vom Institut für Hochenergie­physik der Öster­reichischen Akademie der Wissenschaften (HEPHY) und der TU in Wien, der das Projekt als Sprecher leitet: „Wie DAMA werden wir Detektoren aus Natrium­iodid einsetzen – diese aber mit einem zweiten Nachweis­kanal kombinieren.“

Der Ansatz von Cosinus ist, Kristalle aus Natriumiodid bei extrem tiefen Temperaturen zu betreiben. Ein Dunkle-Materie-Teilchen würde beim Aufprall auf den Detektor zwei Spuren hinter­lassen: einen kurzen Lichtblitz und eine winzige Temperatur­erhöhung, die sich mit einem speziellen Thermo­meter messen lässt. „Anhand der Kombination von Temperatur- und Lichtmessung können wir dunkle Materie eindeutig von anderen Teilchen unterscheiden“, so Schäffner. „Der Temperatur­sensor ist einzigartig und bestens erprobt: Kolleginnen und Kollegen am MPP haben ihn ursprünglich für das Dunkle-Materie-Experiment CRESST entworfen. Inzwischen wird er für beide Experi­mente dort gefertigt.“ Von 2016 bis 2019 entwickelte und testete die Gruppe um Schäffner und Reindl kryogene Natriumiodid-Detektoren. Dabei wiesen sie nach, dass sich das Material für den Einsatz bei Tiefst­temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt eignet, was bisher keinem anderen Team gelungen war.

Ende Dezember 2020 hat Cosinus grünes Licht von der wissen­schaftlichen Leitung der Labora­tori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) erhalten. Das Labor befindet sich in einem verzweigten Tunnelsystem im Gran Sasso, 1.500 Meter tief unter dem Berg. Dort ist es vor kosmischer Strahlung geschützt, die die empfind­lichen Messungen beein­trächtigen würde. Ab Mitte März 2021 beginnt der Aufbau des Experiments, 2022 starten die ersten Messungen. Ergebnisse erwarten die Wissenschaftler im Jahr 2023. Cosinus besteht aus einem Wassertank von sieben Metern Höhe und Durchmesser. Er schützt die Detektoren, die sich im Inneren des Tanks befinden, vor natürlicher Radio­aktivität. Oberhalb dieses Aufbaus wird ein Reinraum eingerichtet, in dem die Detektoren vorbereitet und ins Experiment eingebaut werden.

MPP / JOL

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