04.06.2018

Verschwindender Hintergrund

XENON1T erzielt neuen Empfindlichkeits-Rekord bei der Suche nach WIMPs.

Kosmologische Beobachtungen legen nahe, dass das Universum zum großen Teil aus dunkler Materie besteht. Was diese Materie ausmacht, ist allerdings bislang vollkommen unbekannt. WIMPs (weakly interacting massive particles) sind sehr gute Kandidaten dafür und werden von vielen Theorien vorhergesagt. Der weltweit empfindlichste Detektor, XENON1T, verwendet kaltes, flüssiges Xenon zur Suche nach WIMPs. Die 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.

Abb.: Das XENON1T-Experiment im Gran-Sasso-Untergrundlabor mit Wassertank zur Strahlungsabschirmung, der den Detektor enthält (links), und Technikgebäude (rechts; Bild: R. Corrieri, P. De Perio, XENON-Kollaboration)

Elena Aprile von der Columbia University, Sprecherin der XENON-Kollaboration, und Manfred Lindner vom MPI für Kernphysik haben in Vorträgen am LNGS bzw. CERN die neuesten Ergebnisse von XENON1T vorgestellt. 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 stimmt mit der Erwartung für den Hinter­grund überein und setzt damit die stärkste Grenze für eine 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 fünf Kilogramm auf aktuell 1300 Kilogramm 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 besteht aus einem zylindrischen Isolier­gefäß von etwas über einem Meter Höhe und Durch­messer, gefüllt mit –95 Grad Celsius 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 1300 der insgesamt 2000 Kilogramm Xenon gerade einmal zwei Hintergrund­ereignisse nach­gewiesen, die sich durch die spezielle XENON-Technologie von WIMP-Signalen unterscheiden lassen. Die jetzt vorgestellten Resultate basieren auf 279 Tagen Messung. 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.

MPIK / DE

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