Forschung: Experiment - Überblick

Die experimentellen Forschungs­projekte, die mit Beteiligung dieser Abteilung am MPIK aktuell durchgeführt werden, sind das Reaktorneutrino Experiment Double Chooz in Chooz in Frankreich, das Doppel­beta­zerfall Experiment GERDA im Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italien, XENON sowie die Entwicklung des zukünftigen Nachfolgers DARWIN zur Suche nach Dunkler Materie am LNGS, das STEREO Experiment, welches die Existenz leichter ~1eV steriler Neutrinos untersucht und das CONUS Experiment zur Untersuchung kohärenter Neutrino-Kern Streuung.

In all diesen Experimenten wurden während der vergangenen Jahre wesentliche Fortschritte erreicht:

Abbildung 1: CONUS Detektor ohne Abschirmung

Das CONUS Experiment am Kern­kraft­werk der PreussenElektra GmbH in Brokdorf ist fertig­gestellt. Anfang April 2018 wurde der Messbetrieb aufgenommen. Ziel ist es bis Ende 2021 den Prozess der kohärenten Neutrino-Kern Streuung nachzuweisen und möglichst genau zu untersuchen.

Abbildung 2: Das GERDA Experiment am LNGS

Der Aufbau des Doppel­beta­zerfall Experiments GERDA ist abgeschlossen. GERDA zielt auf eine Messung oder deutliche Verbesserung der Grenzen für die Lebensdauer des neutrinolosen Doppel­beta­zerfalls. Die Beobachtung dieses Zerfalls wäre von fundamentaler Bedeutung für die Neu­tri­no­physik und für Physik jenseits des Standardmodells im Allgemeinen, da es beweisen würde, dass die Leptonenzahl von der Natur nicht erhalten wird. Dies würde zeigen, dass Neutrinomassen nicht durch den Standard Higgs-Mechanismus generiert werden, welcher die Massen der geladenen Fermionen und Quarks erzeugt. Mögliche Konsequenzen reichen bis hin zur kosmologischen Erzeugung der Baryonenasymmetrie des Universums.

Abbildung 3: PMTs und Akryl Gefäß im Double Chooz Detektor

Das Neu­tri­no­os­zil­la­tions­experiment Double Chooz an dem Kernkraftwerk in Chooz, Frankreich, ist abgeschlossen. Ziel war die Messung des kleinsten Mischungswinkels der Neutrinos. Der Wert dieses Winkels beeinflusst die Zukunft der experimentellen Neutrino­physik stark, da er entscheidet, ob und wie die leptonische CP-Verletzung und die Neutrinomassen-Hierarchie gemessen werden können. Nachdem der Ferndetektor schon seit Ende 2010 Daten nahm, wurde der Nahdetektor 2015 fertiggestellt. Durch die Kombination der Daten beider Detektoren konnte eine wesentliche Verbesserung des Messergebnisses erzielt werden. Die Datennahme wurde im Dezember 2017 beendet. Die Auswertung der Daten dauert jedoch noch an.

Abbildung 4: Der ILL Reaktor an dem das STEREO Experiment aufgebaut ist.

Das STEREO Experiment wurde nach dreijähriger Kon­struk­tions­phase fertiggestellt und hat ebenfalls begonnen erste Daten aufzunehmen. Es soll die beobachtete Reaktor-Antineutrino-Anomalie im Hinblick auf die mögliche Existenz leichter steriler d.h. in Detektoren nicht messbaren Neutrinos untersuchen. Nach einer ersten Datennahme über 2 Reaktorzyklen befindet sich das Experiment nun in Phase II, in der über 300 Tage mit hochgefahrenem Reaktor gemessen werden soll. Diese derzeitige Messung soll bis 2019 andauern.

Abbildung 5: 1T Detektor des XENON Projekts

Die Abteilung ist auch am XENON Projekt zur Suche nach Dunkler Materie beteiligt, das ab 2010 als XENON100 Daten nahm und bereits sehr wichtige Ergebnisse erzielte. 2017 folgten die ersten Daten des hochskalierten XENON1T Detektors. Dieser nimmt weiterhin Daten auf. Parallel dazu wird bereits das XENONnT-Projekt, eine noch weiter hochskalierte Version des Detektors, geplant und realisiert. Die XENON Detektoren machen sehr wichtige Messungen, weil sie einen weiten Bereich des theoretisch erlaubten Bereichs für WIMPs, den bestmotivierten Kandidaten für Dunkle Materie abdecken.

Abbildung 6: Low-level Labor des MPIK

Die Kunst der low-background Physik, die in vergangenen und aktuellen Experimenten entwickelt wurde, ist ziemlich einmalig. Die relevanten Techniken werden für laufende und zukünftige Experimente stetig weiter verbessert und erweitert.