Kosmologische Beobachtungen wie der Umlauf der Sterne in Galaxien, Graviationslinsen in Galaxienclustern oder der kosmische Mikrowellenhintergrund legen es nahe, dass das Universum zu etwa 23% aus Dunkler Materie besteht, während der Anteil normaler sichtbarer Materie nur etwa 4% beträgt. Der Rest ist die mysteriöse Dunkle Energie, die für die beobachtete beschleunigte Ausdehnung des Universums verantwortlich ist.

Aufgrund theoretischer Überlegungen sind schwach wechselwirkende schwere Teilchen, WIMPs, die vielversprechendsten Kandidaten für Dunkle Materie, da solche Teilchen im frühen Universum in der erforderlichen Menge entstanden sein sollten. Die Forscher betrachten aber auch „sterile Neutrinos“ oder nur gravitativ wechselwirkende Teilchen. Das führt zu möglichen Erweiterungen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik. Außerdem werden die Daten verschiedener Experimente im Zusammenhang analysiert, um deren Widersprüche aufzuklären.

Das MPIK beteiligt sich an der Suche nach WIMPs mit dem XENON100- und dem künftigen XENON1T-Experiment im Gran-Sasso-Untergrundlabor in Italien, die hochreines flüssiges Xenon als Detektormedium verwenden. Der XENON100-Detektor ist in der Lage, sowohl das Szintillationslicht als auch die elektrische Ladung korreliert zu messen, die bei den seltenen Stößen von WIMPs mit Xe-Atomen entstehen. Die Empfindlichkeit wird wesentlich höher sein mit dem XENON1T-Detektor, der die 10-fache Menge an Xe verwenden und noch besser abgeschirmt sein wird.

Außerdem suchen die H.E.S.S.-Teleskope nach hochenergetischen Gammastrahlen, die durch Annihilation von Dunkler Materie im DM-Halo der Milchstraße entstehen.

Abteilung Lindner

Theoretische Astroteilchenphysik und Kosmologie (pdf)

Bei Experimenten, die seltene Ereignisse suchen, spielen Identifizierung und Reduktion des Untergrunds eine entscheidende Rolle. Das MPIK hat jahrzehntelange Erfahrung und Expertise mit Low-Level-Techniken. Das Untergrundlabor des Instituts ist gegen kosmische Strahlung abgeschirmt und bietet ideale Bedingungen für die Entwicklung von Detektoren für Experimente mit niedrigem Untergrund. Hochempfindliche Gammaspektrometer und Proportionalzähler dienen der Überprüfung von Materialien auf radioaktive Verunreinigungen und sind die Basis von Analysetechniken für sehr niedrige Konzentrationen von Radioisotopen wie ⁸⁵Kr.

Das natürlich vorkommende radioaktive Radonisotop ²²²Rn ist eine der am meisten störenden Verunreinigungen. Es kann mit der mobilen Radonextraktionsapparatur MoREx selbst aus großen gasförmigen oder flüssigen Proben effizient entfernt werden. Ultrareiner Stickstoff, Argon und Xenon sind für Neutrino- und Dunkle-Materie-Detektoren sowie für Doppelbetazerfallsexperimente wesentlich.

Wissenschaftler des MPIK haben den flüssigen gadoliniumhaltigen Szintillator für den Neutrinodetektor Double Chooz entwickelt. Die Lichtsensoren für den Nachweis des bei den seltenen Stößen von Neutrinos oder Dunkle-Materie-Teilchen mit Atomen der Detektorflüssigkeiten erzeugten Szintillationslichts werden in einem speziellen Teststand charakterisiert.

Abteilung Lindner

Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen mit winziger Masse, von denen es drei Sorten, sogenannte Flavours, gibt. Neben Photonen sind sie die häufigsten Teilchen im Universum, aber wir bemerken sie nicht, weil sie nur selten mit Materie wechselwirken. Ihr Nachweis erfordert große, empfindliche Detektoren mit bester Abschirmung gegen Untergrundsignale.

Das GERDA-Experiment im Gran-Sasso-Untergrundlabor sucht nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall in reinen, mit dem Isotop ⁷⁶Ge angereicherten, Germaniumkristallen. Falls er möglich ist, ist der neutrinolose Doppelbetazerfall extrem selten. Wenn man ihn findet, bedeutet das, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen – sogenannte Majorana-Teilchen – sind, mit beträchtlichen theoretischen Konsequenzen. Kandidaten für den umgekehrten Prozess, den neutrinolosen doppelten Elektroneinfang, werden durch präzise Messung ihrer Masse und der ihrer Tochternuklide geprüft.

GERDA wird auch Informationen über die Ruhemasse der Neutrinos liefern, für die bisher nur Obergrenzen und Differenzen bekannt sind. Ein anderer Ansatz zur Bestimmung der Neutrinomasse ist die extrem genaue Messung der Massendifferenz zwischen ³H (Tritium) und ³He zusammen mit dem KATRIN-Experiment.

Der periodische Wechsel zwischen den drei Neutrinosorten Elektron-, Myon- und Tauon-Neutrino („Neutrino-Oszillationen“) wird durch sogenannte Mischungswinkel beschrieben. Das Double-Chooz-Experiment verwendet Elektron-Antineutrinos aus einem Kernkraftwerk in Frankreich, um den noch unbekannten der drei Mischungswinkel zu messen. Die beiden gleichartigen Detektoren in verschiedenen Abständen von den Reaktoren sehen nur Elektron-Antineutrinos, deren Zahl vom nahen zum fernen Detektor durch die Oszillationen abnehmen sollte. Zur Simulation zukünftiger hochpräziser Neutrino-Oszillationsexperimente wurde die Software GLoBES entwickelt.

Seit 2007 erforscht das Borexino-Experiment niederenergetische Neutrinos von der Sonne und der Erde. Der Blick in Echtzeit in den Kern der Sonne trägt zum Verständnis der Fusionsprozesse in Sternen bei und liefert wertvolle Informationen zu Neutrino-Oszillationen. Nachgewiesene Geoneutrinos stammen von radioaktivem Zerfall im Erdinneren, der erheblich zur Erdwärme beiträgt.

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GERDA: sind Neutrinos und Antineutrinos identisch? (pdf)
Double Chooz: Suche nach dem dritten Mischungswinkel der Neutrinos (pdf)
Borexino: Spektroskopie solarer Neutrinos (pdf)