Abteilung für Teilchen- & Astroteilchen-Physik
 
 

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Forschung: XENON

Die Suche nach Dunkler Materie mit flüssigem Edelgas

Indirekte Hinweise auf Dunkle Materie

Alles, was wir von der Erde aus mit Teleskopen im Universum sehen können, ist aus gewöhnlicher, sogenannter baryonischer, Materie aufgebaut. Eine Reihe astrophysikalischer und kosmologischer Beobachtungen deutet aber sehr stark darauf hin, dass viel mehr unsichtbare als sichtbare Materie im Universum existieren sollte. Diese unsichtbare Materie kann aus verschiedenen Gründen aus keiner bekannten Elementarteilchenart bestehen und sendet keinerlei elektromagnetische Strahlung aus. Deswegen kann sie optisch nicht direkt beobachtet werden und wird Dunkle Materie genannt. Teilchen der Dunklen Materie sollten eine endliche Masse haben und großräumige Strukturen im Universum bilden, die mittels der Gravitation mit sichtbaren Sternen und Galaxien wechselwirken. Derartige gravitative Effekte der Dunklen Materie wurden in der Dynamik von Galaxien, Galaxien-Haufen und mittels des Gravitationslinseneffekts beobachtet. Die Analyse des kosmischen Mikrowellenhintergrunds legt in Übereinstimmung mit den anderen Hinweisen ebenfalls nahe, dass es etwa fünf mal mehr Dunkle Materie als normale Materie gibt.

Trotz dieses massiven Überschusses an Dunkler Materie wissen wir immer noch nicht genau, aus was sie besteht. Eine plausible Theorie ist, dass Dunkle Materie aus sogenannten "Weakly Interacting Massive Particles" (WIMPs) besteht. WIMPs könnten Massen vergleichbar mit den Massen von Atomkernen haben; man spricht dann von kalter Dunkler Materie (cold dark matter). Derartige Teilchen würden über die schwache Wechselwirkung gelegentlich mit normaler Materie wechselwirken. Da die Erde aufgrund ihrer Eigenbewegung und der Bewegung mit der Sonne durch die Galaxie einem "Wind" aus Dunkle Materie ausgesetzt ist, kann man auf der Erde geeignete Detektoren bauen, die nach diesen gelegentlichen Streuprozessen Ausschau halten, um die Dunkle Materie direkt nachzuweisen.

Die Suche nach Dunkler Materie mit flüssigen Xenon

XENON1T Detektor
Abbildung 1: Der XENON1T-Detektor im LNGS Untergrundlabor.

Die XENON-Kollaboration strebt den direkten Nachweis von Dunkler Materie mit einem Detektor, der mit flüssigem Xenon (LXe) gefüllt ist, an. Aufbauend auf den Erfahrungen mit dem XENON10-Prototypen sowie des XENON100 Detektors, welcher bis ins Jahr 2009 einige der besten Limits an die Wechselwirkungen von Dunkler Materie gesetzt hatte, nimmt der XENON1T-Detektor derzeit im Gran Sasso National Laboratory (LNGS) in Italien Daten (siehe Abbildung 1). Mit einer "fiducial mass" (aktives Detektorvolumen) von etwa 2 Tonnen, konnte der Detektor weltweit führende Limits an die Wechselwirkung zwischen Dunkler Materie und Atomkernen setzen.

Der XENON1T Detektor ist eine sogenannte "Time Projection Chamber (TPC)", die eine dreidimensionale Ortsauflösung hat. Der Nachweismechanismus basiert auf der Tatsache, dass ein WIMP, welches mit einem Xenon-Atomkern im flüssigen Volumen streut, in charakteristischer Weise eine kleine elektrische Ladung (bestehend aus Elektronen) und ein kleines Lichtsignal produziert. Lichtsensoren (sogenannte Photomultiplier) weisen diese beiden Signale nach. Während das Lichtsignal (primäres Szintillationslicht S1) direkt gemessen wird, muss das Ladungssignal zuerst in ein sekundäres Lichtsignal S2 umgewandelt werden. Dies erfolgt durch starke elektrische Felder, mittels derer die durch Ionisation frei gesetzten Elektronen nach oben in die Gasphase gezogen werden. Diese Gasphase wirkt auf Grund der hohen Feldstärken wie eine Proportionalkammer und es wird ein zweites Szintillationslichtsignal produziert und ausgelesen. Der zeitliche Unterschied zwischen S1 und S2 entspricht der Zeit, welche die Elektronen zum Driften benötigt haben. Auf diese Weise kann man die x-y-Position aus der Position der Lichtsensoren, und die z-Position aus der Driftzeit präzise in drei Dimensionen rekonstruieren.

XENON am MPIK

AutoEmma
Abbildung 2: Automatisierte Anlage zur Bestimmung der Radon Emanation (AutoEmma).

Auf Grund der erwarteten extrem kleinen Wechselwirkungsrate von Dunkler Materie im Detektor, muss dieser in einer Umgebung mit extrem kleinem Mess-Untergrund betrieben werden. Darüber hinaus benötigt man effiziente Verfahren, um die verbleibenden Untergründe stark zu unterdrücken. Deswegen wird das Experiment tief unter der Erde betrieben, um es vor der kosmischen Strahlung abzuschirmen. Im Gran Sasso Untergrundlabor, wo XENON1T betrieben wird, hat man eine Felsabschirmung, die einer Wassersäule von 3800 Metern entspricht. Zusätzlich befindet sich der Detektor in einem Wassertank, der als aktives Veto verwendet wird. Dies dient dazu Wechselwirkungen zu erkennen, die durch die interaktion der verbleibenden kosmischen Strahlung entstehen. Ein weiterer Schritt besteht darin, mittels der dreidimensionalen Auflösung, Ereignisse nahe der Oberfläche auszusortieren, die von den verwendeten Materialien des Detektors stammen. Dieses Herausschneiden des innersten und saubersten Teils des Detektors zusammen mit dem sehr charakteristischen Verhältnis von S1/S2 erlaubt eine sehr effiziente Untergrundunterdrückung.

RGMS
Abbildung 3: Massenspektrometer zum Nachweis von Krypton in Xenon.

Ein Experiment wie XENON1T hat offensichtlich enorme Reinheitsanforderungen an die Materialien und Verfahren für alle im Detektor verwendeten Komponenten. Dazu werden alle Materialien sorgfältig ausgewählt und mittels Germanium-Spektrometern auf kleinste radioaktive Restverunreinigungen untersucht. Auch eine niedrige Radon Emanationsrate ist ein entscheidendes Qualitätsmerkmal aller verbauten Komponenten. Am MPIK wurde eine Anlage entwickelt, die in der Lage ist automatisiert und mit hoher Reproduzierbarkeit die Radon Emanation verschiedener Materialien und Bauteile zu bestimmen (siehe Abbildung 2). Des Weiteren werden am Institut Methoden untersucht, mit denen sich der Radonuntergrund im Detektor weiter reduzieren lässt. Neben Radon stellt auch das Edelgas Krypton einen potentiellen Untergrund dar. Xenon, dass durch Luftverflüssigung gewonnen wird, enthält Krypton auf dem ppm-Niveau (parts per million). Durch kontinuierliche Destillation, kann der Krypton Anteil im Detektor unter das ppt-Niveau (parts per trillion) gesenkt werden. Am MPIK wurde ein System entwickelt, um Spuren von Krypton oberhalb des ppq-Niveaus (parts per quadrillion) zu detektieren, und Proben aus dem XENON1T-Detektor werden mit ppt-Sensitivität gemessen (siehe Abbildung 3).

PMT array
Abbildung 4: Photomultiplier array des XENON1T-Detektors.

Um die Funktionsfähigkeit und Belastbarkeit der Lichtsensoren zu überprüfen, werden viele der im Experiment verwendeten Photomultiplier am Institut getestet und vermessen (siehe Abbildung 4). Ein wichtiger Untergrund von XENON1T besteht aus radioaktiven Zerfällen, die durch Verunreinigungen an den Wänden des Detektors hervorgerufen werden. Für das Nachfolge Experiment XENONnT, soll dieser Untergrund reduziert werden. Hierfür werden von der Abteilung am Institut Methoden zur Oberflächenreinigung untersucht. Um den Einfluss dieser Verfahren auf die chemische Reinheit des flüssigen Xenons zu bewerten, wurde am Institut eine 5 cm lange flüssig Xenon Time Projection Chamber aufgebaut. Neben Untersuchungen zur Reinheit von flüssig Xenon, lassen sich mit ihr auch die fundamentalen Szintillationseigenschaften von Xenon untersuchen. Außerdem nimmt die Abteilung innerhalb der XENON-Kollaboration an der Datennahme und Datenanalyse teil und führt Wartungsarbeiten durch.

Die Zukunft des XENON-Projekts

Das letztendliche Ziel der XENON-Kollaboration ist die Hochskalierung des Detektors, um deutlich an Sensitivität für den Nachweis von Dunkler Materie zu gewinnen. Zur Zeit wird die nächste Version, XENONnT, am LNGS gebaut. Dieser Detektor soll die Sensitivität um einen Faktor 10 im Vergleich zu XENON1T erhöhen. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen alle möglichen Quellen von Untergrund weiter unterdrückt werden, um schließlich eine Reduzierung des Gesamt-Untergrunds um einen Faktor 10 im Vergleich zu XENON1T zu erreichen. Der XENONnT Detektor wird voraussichtlich bis ins Jahr 2023 Daten sammeln, bevor er durch das in Planung befindliche DARWIN Experiment abgelößt wird.

Die XENON-Kollaboration

Die XENON-Kollaboration besteht aus

Links

Weitere Informationen und aktuelle Neuigkeiten inklusive Publikationen und des Status von XENON1T können auf der offiziellen Webseite der Kollaboration gefunden werden.

Kontakt

  • Prof. Dr. Manfred Lindner:
    Tel: +49 6221 516800
    E-Mail: manfred.lindner [at] mpi-hd.mpg.de
  • Priv.-Doz. Dr. Teresa Marrodán Undagoitia:
    Tel: +49 6221 516803
    E-Mail: teresa.marrodan [at] mpi-hd.mpg.de
  • Dr. Hardy Simgen:
    Tel: +49 6221 516530
    E-Mail: hardy.simgen [at] mpi-hd.mpg.de
 
 


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