Dunkle Materie – Strukturbildner im Universum


Lichtsensoren (Photomultiplier) für XENON1T, links ohne Hülle und Eintrittsfenster.

Kosmologische Beobachtungen wie der Umlauf der Sterne in Galaxien, Graviationslinsen in Galaxienclustern oder der kosmische Mikrowellenhintergrund legen es nahe, dass das Universum zu etwa 27% aus Dunkler Materie (DM) besteht, während der Anteil normaler sichtbarer Materie nur etwa 5% 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 genannt, die aussichtsreichsten Kandidaten für Dunkle Materie, da solche Teilchen im frühen Universum in der erforderlichen Menge entstanden sein sollten. Die Forscher betrachten aber auch ‚Axionen‘, ‚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 ab Herbst 2015 dem XENON1T-Experiment im Gran-Sasso-Untergrundlabor in Italien, die hochreines flüssiges Xenon als Detektormedium verwenden. Die Detektoren sind in der Lage, Szintillationslicht und elektrische Ladung korreliert zu messen, die bei den seltenen Stößen von WIMPs mit Xe-Atomen entstehen. Der im Vergleich zu XENON100 noch besser abgeschirmte XENON1T-Detektor mit der 10-fachen Menge an Xe und erst recht seine Erweiterung auf XENONnT wird eine wesentlich höhere Empfindlichkeit haben.

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       Abteilung Hofmann

Theoretische Astroteilchenphysik und Kosmologie (pdf)
Das XENON-Projekt - Suche nach Dunkler Materie (pdf)
H.E.S.S.: Kosmische Beschleuniger im Gammalicht (pdf)

Low-Level-Techniken


Die Schemazeichnung des Germanium-Spektrometers GIOVE im Kellerlabor des MPIK zeigt die Schichten abschirmenden Materials.

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 extrem 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 die Neutrinodetektoren Double Chooz sowie NUCIFER und STEREO 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 speziellen Testständen charakterisiert.

Abteilung Lindner

Neutrinos – Teilchen mit verblüffenden Eigenschaften


Das Doppelbetazerfall-Experiment GERDA.

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 in Italien sucht nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall in reinen, mit dem Isotop 76Ge angereicherten Germaniumkristallen. Sollte er möglich sein, ist der neutrinolose Doppelbetazerfall extrem selten. In der ersten Messphase fand man keinen Hinweis auf den Zerfall, was zu der weltbesten Untergrenze für dessen Halbwertszeit in 76Ge von 2,1 × 1025 Jahren führt. Falls man ihn doch noch findet, würde das bedeuten, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen – sogenannte Majorana-Teilchen – wären, und könnte daraus ihre Masse ableiten. Dazu kommen beträchtliche theoretische Konsequenzen. Kandidaten für den umgekehrten Prozess, den neutrinolosen doppelten Elektroneinfang, werden durch präzise Messung ihrer Masse und der ihrer Tochternuklide geprüft.

Für die Ruhemasse der Neutrinos sind bisher nur Obergrenzen und Differenzen bekannt. 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 lange gesuchten dritten 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 abnimmt. Die ersten Ergebnisse bestätigen, dass auch dieser Mischungswinkel nicht null ist, also alle Oszillationen stattfinden.

Allerdings werden von vielen Experimenten in der Nähe von Kernreaktoren etwa 6% weniger Neutrinos gemessen als erwartet. Die NUCIFER- und STEREO-Detektoren versuchen herauszufinden, ob sterile Neutrinos für diese Reaktorneutrino-Anomalie verantwortlich sind.

Seit 2007 erforscht das Borexino-Experiment niederenergetische Neutrinos von der Sonne und aus der Erde. Der Blick in Echtzeit in den Kern der Sonne hat die theoretische Vorhersage für alle im mehrstufigen Fusionsprozess entstehenden Neutrinos bestätigt und liefert wertvolle Informationen zu Neutrino-Oszillationen. Nachgewiesene Geoneutrinos stammen von radioaktivem Zerfall im Erdinneren, der erheblich zur Erdwärme beiträgt.

Abteilung Lindner    Abteilung Hofmann    Abteilung Blaum

GERDA: sind Neutrinos und Antineutrinos identisch? (pdf)
Double Chooz: Der dritte Mischungswinkel der Neutrinos (pdf)
Borexino: Spektroskopie solarer Neutrinos (pdf)
Nucifer + Stereo: Stecken sterile Neutrinos hinter der Reaktorneutrino-Anomalie? (pdf)

Der Ursprung von Masse – Physik jenseits des Standardmodells


Feynman-Diagramm eines Lepton-Flavour-verletzenden Prozesses; im Hintergrund der ATLAS-Detektor am LHC des CERN.

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik beschreibt erfolgreich das Verhalten aller bekannten Elementarteilchen (und ihrer Antiteilchen): je 6 Quarks (aus zwei davon bestehen Protonen und Neutronen) und Leptonen (u. a. Elektronen und Neutrinos). Dazu kommen Eichbosonen (darunter Photonen und Gluonen), die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen vermitteln, und das Higgs-Boson. Dessen Entdeckung 2012 warf eine Reihe fundamentaler Fragen auf, mit denen sich Theoretiker am MPIK beschäftigen.

Sowohl Neutrinomassen und Dunkle Materie als auch theoretische Unzulänglichkeiten verlangen eine Erweiterung des Standardmodells, das nur bis zu einer bestimmten Energie gültig zu sein scheint, ab der „neue Physik“ ins Spiel kommt. Im Kontext derzeitiger und zukünftiger Experimente der Teilchenphysik sowie der Kosmologie werden Supersymmetrie und eine große vereinheitlichte Theorie als erfolgversprechende Erweiterungen des Standardmodells studiert.

Der Ursprung von Neutrinomassen und -mischungen wird am MPIK mit grundlegenden theoretischen und phänomenologischen Studien erforscht. Dass Neutrinos so leicht sind, erklärt der „Seesaw“-Mechanismus anhand neuer schwerer Teilchen, die in der Tat von vielen Theorien jenseits des Standardmodells vorhergesagt werden. Möglicherweise haben Neutrinomasse und Dunkle Materie denselben Ursprung. Gesamtziel der theoretischen Arbeiten ist ein tieferes Verständnis der fundamentalen Naturgesetze.

Abteilung Lindner    Gruppe Rodejohann    Gruppe Goertz

Theoretische Elementarteilchenphysik jenseits des Standardmodells (pdf)

Max-Planck-Gesellschaft

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