XENONnT misst präzise – dank Technik aus Münster

Das XENONnT-Experiment hat einen großen Fortschritt erzielt, indem es eine der problematischsten Verunreinigungen deutlich reduziert hat: Radon, ein radioaktives Gas. Zum ersten Mal ist es dem Forschungsteam gelungen, die durch Radon verursachte Radioaktivität des Detektors auf ein Niveau zu bringen, das eine Milliarde Mal niedriger ist als die sehr geringe natürliche Radioaktivität des menschlichen Körpers. Die zugrunde liegende Technik für XENONnT stammt von einem Team um den Teilchenphysiker Christian Weinheimer von der Universität Münster.

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29.04.2024 • Nachricht • Panorama

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Den Geisterteilchen auf der Spur

XENONnT misst die Wechsel­wirkungen von hypothe­tisch vorher­gesagten Dunkle-Materie-Teilchen mit Atomen des flüssigen Edelgases. Der Detektor mit seinen 8,5 Tonnen flüssigen Xenons wird bei rund minus 95 Grad Celsius tief unter der Erd­ober­fläche betrieben, um Stör­signale möglichst auszu­schließen. Die besondere Empfind­lichkeit des Detektors beruht auf der außergewöhn­lichen Reinheit des Xenons, die durch die besondere Konstruk­tion des Detek­tors und die Verwen­dung ultra­reiner Materi­alien erreicht wird. Selbst Spuren von gelöstem Radon und dessen ebenfalls radioaktiven Zerfalls­produkten können jedoch Licht­blitze erzeugen, die den gesuchten Signalen gleichen. Da Radon als Produkt lang­lebiger Isotope aus der Ent­stehungs­zeit unseres Sonnen­systems in so gut wie allen Materi­alien vorkommt, macht es einen erheb­lichen Teil der natürlichen Strahlen­belastung des Menschen aus.

Um die Menge an Radon noch weiter zu reduzieren, entwickelte das XENONnT-Team ein kryogenes Destil­lations­system zur kontinu­ierlichen Reinigung des Xenons. Dieser Prozess entfernt gezielt Radon und reduziert seine Konzen­tration in Xenon um den Faktor 4 auf lediglich 430 Radon-Atome pro Tonne flüssigem Xenon, wie von der XENONnT-Gruppe vom MPI für Kern­physik in Heidel­berg bestimmt wurde. Die durch Radon verur­sachten Störsignale sind damit etwa so selten wie die äußerst seltenen Störsignale durch die Neutrinos, die aus der Kernfusion im Innern der Sonne stammen und nicht abgeschirmt werden können. Dank der Radon-Entfernung können die Messungen quasi frei von Radio­aktivität durchge­führt werden. „Die Technik ebnet den Weg für größere, noch empfind­lichere Detektoren wie das geplante, zehnmal größere Flüssigxenon-Observa­torium XLZD“, betont Weinheimer. „XENONnT bringt uns der Lösung des Rätsels um die Dunkle Materie einen Schritt näher.“ [U Münster / dre]