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Startschuss zur Suche nach Dunkler Materie

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image Montage des XENON1T-Detektors

Im Universum gibt es fünf Mal mehr dunkle Materie als «normale Materie», die Atome und Moleküle bildet und damit das bekannte Weltall ausmacht. Dennoch ist über diese dunkle Komponente bislang nur wenig bekannt. Ein internationales Team von Wissenschaftlern mit Beteiligung von Forschenden der Universitäten Zürich und Bern hat das neue XENON1T Experiment im italienischen Gran Sasso Untergrundlabor gestartet. Dort wird mit bislang unerreichter Empfindlichkeit nach der dunklen Materie gesucht.

Bereits seit vielen Jahren wird mit Experimenten im Labor versucht, die dunkle Materie – einen der grundlegenden Bausteine des Universums – nachzuweisen. Bislang konnte sie allerdings nur indirekt durch ihre Gravitationskraft beobachtet werden. Man geht davon aus, dass die dunkle Materie aus einem neuen, stabilen Teilchen besteht, für das man aber noch keinen direkten experimentellen Nachweis erbringen konnte. «Wir erwarten, dass etwa 100'000 Teilchen der dunklen Materie pro Sekunde die Fläche eines Daumennagels durchqueren», sagt Laura Baudis, Professorin an der Universität Zürich. «Da wir diese Teilchen bislang noch nicht gefunden haben, folgern wir, dass deren Reaktionswahrscheinlichkeit mit der normalen Materie unseres Detektors sehr klein sein muss. Wir brauchen also ein empfindlicheres Instrument, um derartig seltene Spuren zu finden», ergänzt Professor Marc Schumann von der Universität Bern.

Beide sind Mitglieder der internationalen XENON Kollaboration, die 21 Forschungsgruppen aus der Schweiz, den USA, Deutschland, Italien, Frankreich, den Niederlanden, Portugal, Israel, Schweden und den Vereinigten Arabischen Emiraten vereint.

Geforscht wird an den italienischen Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), einem der grössten Untergrundlabore der Welt. «Wir müssen unser Experiment tief im Berg aufbauen, wo es durch 1400 Meter Gestein von kosmischer Strahlung abgeschirmt wird», sagt Laura Baudis. Der neue XENON1T Detektor wurde in einem Wassertank von fast 10 Metern Durchmesser installiert, um ihn vor radioaktiver Strahlung zu schützen, die z.B. aus dem umgebenden Gestein ausgeht. Begonnen hat das XENON Projekt vor 15 Jahren mit einem drei Kilogramm schweren Detektor und führte schliesslich zum heutigen XENON1T Instrument mit einer Gesamtmasse von 3,5 Tonnen.

Der Kampf gegen die Radioaktivität

Als Detektormaterial verwendet XENON1T das ultra-reine Edelgas Xenon, das auf -95°C gekühlt wird und dann in flüssiger Form vorliegt. «Um die seltenen Stösse des dunkle-Materie-Teilchens in unserem Detektor zu sehen, brauchen wir ein massives Instrument mit einem extrem geringen radioaktiven Hintergrund», erklärt Marc Schumann. «Andernfalls hat man keine Chance, die richtigen Ereignisse aus den Hintergrundsignalen herauszufischen.» Daher haben die XENON-Forschenden alle Materialien des Detektors sorgfältig ausgewählt und sichergestellt, dass deren unvermeidbare Verunreinigung mit radioaktiven Isotopen so gering wie möglich ist und den Anforderungen des Experiments genügt.

In ihrem Detektor messen die XENON Wissenschaftler kleinste Signale von Licht und elektrischer Ladung, um daraus Ort und Energie einer Teilchenkollision im Detektor zu bestimmen. Zusätzlich können sie auch noch unterscheiden, ob es sich eher um ein von dunkler Materie verursachtes Signal, oder doch um ein Hintergrundereignis handelt. Das Licht wird mit insgesamt 248 Photodetektoren gemessen, die sogar einzelne Photonen nachweisen können. Ein Vakuum-isolierter Doppelwand-Kryostat, quasi eine gigantische Thermoskanne, enthält das flüssige Xenon und den dunkle-Materie-Detektor. Das Verflüssigen des Xenon Gases und seine Reinigung von Fremdstoffen geschieht im dreistöckigen XENON-Gebäude, einer extravaganten Stahlkonstruktion mit komplett transparenter Glasfassade, durch die Besucher den Wissenschaftlern bei der Arbeit zuschauen können. Eine riesige Edelstahlkugel befindet sich gleich im Erdgeschoss und ist mit Rohren und Ventilen ausgestattet. «Sie kann mehr als 7,5 Tonnen Xenon in flüssiger und gasförmiger Form aufnehmen», sagt Marc Schumann. «Dies ist zweimal mehr als wir für XENON1T benötigen, da wir in naher Zukunft ein noch grösseres und empfindlichere Experiment bauen wollen.»

Das Ziel: Dunkle Materie finden

Sobald XENON1T voll funktionsfähig ist, wird es das weltweit sensitivste Experiment zur Suche nach dunkler Materie sein. Die Schweizer Forscher sind unter anderem für das Design und den Bau des inneren XENON1T Detektors und die Lichtsensoren und deren Auslese verantwortlich. Die ersten wissenschaftlichen Ergebnisse werden für Anfang 2016 erwartet, da bereits eine Woche an guten Messdaten ausreichen wird, um die Führung in diesem Forschungsgebiet zu übernehmen. Das wissenschaftliche Ziel wird nach zwei Jahren Datennahme erreicht werden. «Natürlich wollen wir das dunkle Materie Teilchen entdecken. Aber selbst wenn wir nach zwei Jahren nur schwache Hinweise gefunden haben, werden wir in einer exzellenten Ausgangsposition sein, um es schliesslich nachzuweisen», erklärt Laura Baudis.

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Bildergalerie
Experimentierhalle B mit den XENON-Aufbauten: Das Gebäude rechts beherbergt eine Vielzahl von Hilfssystemen. Der Detektor selbst befindet sich innerhalb des grossen Wasserschilds auf der linken Seite, wie auf dem grossen Banner illustriert ist.
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