XENON1T liefert erste Ergebnisse

Verschiedene astro­nomische Beobach­tungen legen die Anwe­senheit von Dunkler Materie als wesent­lichen Bestand­teil des Univer­sums nahe. Sie müsste rund fünfmal häufiger sein als normale, sicht­bare Materie. Der direkte Nachweis Dunkler Materie und die Erforschung ihrer Eigen­schaften ist deshalb eines der wich­tigsten Ziele der modernen Teilchen­physik. Dazu suchen Forscher mit extrem empfind­lichen Detek­toren nach Wechsel­wirkungen der Dunkle-Materie-Teilchen mit normalen Teilchen. Diese extrem schwachen Wechsel­wirkungen haben sich aber bisher der Entdeckung entzogen, was die Wissen­schaftler dazu zwingt, immer noch empfind­lichere Detek­toren zu bauen.

Die XENON-Kolla­boration, die mit dem XENON100-Experi­ment jahrelang führend war, hat sich nun mit ihrem neuen Instru­ment XENON1T an der Spitze zurück­gemeldet. Die Daten der ersten 30 Messtage zeigen, dass dieser Detektor den bis­herigen Rekord für die geringste Radio­aktivität deutlich verbes­sert. Diese ist um viele Größen­ordnungen niedriger als in der normalen irdischen Umgebung. Radio­aktivität erzeugt Stör­signale, ver­gleichbar mit dem Licht der Städte, das den Blick auf den Sternen­himmel beein­trächtigt. XENON1T verwendet etwa 3.200 Kilo­gramm des flüs­sigen Edelgases Xenon als Detektor­material und ist damit der größte jemals gebaute Detektor seiner Art. Aufgrund der Kombi­nation von Größe und Reinheit hat XENON1T in den kommenden Jahren sehr gute Chancen, Dunkle-Materie-Teilchen zu finden.

Gut geschützt vor kos­mischer Strahlung ist das XENON1T-Instru­ment seit Herbst 2016 im ita­lienischen Gran-Sasso-Untergrund­labor im Mess­betrieb. 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 Flüssig-Xenon-Zeit-Projektions­kammer, befindet sich in einem Isolier­gefäß, das dafür sorgt, dass das flüssige Xenon -95°C kalt bleibt ohne dass das Wasser gefriert.

Aber selbst perfektes Abschirmen gegen äußere Einflüsse ist nicht aus­reichend, weil alle Materia­lien auf der Erde geringe Spuren von natür­licher Radio­aktivität enthalten. Um möglichst wenig Radio­aktivität in den Detektor einzu­bringen, war es daher erforder­lich, alle verwendeten Materia­lien sorgfältig auszu­wählen, zu verarbeiten und zu reinigen. Nur so gelang es, das Zentrum von XENON1T zu einem der reinsten Orte des Universums zu machen. Dies ist Voraus­setzung, die extrem seltenen Signale von Dunkler Materie zu finden.

Wenn ein Teilchen in flüs­sigem Xenon wechsel­wirkt, entstehen winzige Licht­blitze. Die Wissen­schaftler registrieren diese und bestimmen daraus den Ort der Wechsel­wirkung und die Energie des Teilchens und ob es Dunkle Materie sein könnte oder nicht. Infrage dafür kommen nur Ereignisse im Zentrum des Detektors, das etwa eine Tonne Xenon umfasst. Das äußere Xenon bildet eine zusätz­liche Abschirm­schicht gegen restliche Spuren von Radio­aktivität im Material. Schon mit den in den ersten 30 Tagen gesam­melten Daten über­trifft die Empfind­lichkeit von XENON1T alles bislang dage­wesene. XENON1T ist damit in bisher uner­forschtes Terrain einge­drungen. Es hat dort aber noch keine Dunkle Materie gefunden, hat aller­dings auch gerade erst ange­fangen zu messen.

MPIK / JOL