Kosmologische Beobachtungen wie der Umlauf der Sterne in Galaxien, Gravitationslinsen 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, aussichtsreiche 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 andere nur über die Schwerkraft wechselwirkende Teilchen. Das führt zu möglichen Erweiterungen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik. Außerdem soll eine Analyse der Daten verschiedener Experimente im Zusammenhang deren Widersprüche aufklären.

Das MPIK beteiligt sich an der Suche nach WIMPs mit dem XENON1T-Experiment im Gran-Sasso-Untergrundlabor in Italien, das hochreines flüssiges Xenon als Detektormedium verwendet. Der Detektor ist in der Lage, Szintillationslicht und elektrische Ladung korreliert zu messen, die bei den seltenen Stößen von WIMPs mit Xe-Atomen entstehen (rechte Seite des Würfels im Titelbild). Derzeit ist XENON1T das weltweit empfindlichste derartige Experiment, das weit in den vorhergesagten Parameterbereich von WIMPs und anderen DM-Teilchen eingedrungen ist. Parallel ist bereits ein größerer Detektor (XENONnT) in Bau, der dieselbe Infrastruktur verwenden und somit eine rasche Erweiterung der Empfindlichkeit bringen wird.

Die H.E.S.S.-Teleskope suchen nach hochenergetischen Gammastrahlen aus der Annihilation von DM-Teilchen im DM-Halo der Milchstraße. Die DM-Suche hat eine so hohe Empfindlichkeit erreicht, die Hoffnung macht, WIMPs zu finden. Aber bisher hat keiner der Detektoren ein Signal gesehen.

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

Bei Experimenten, die seltene Ereignisse suchen, spielen Identifizierung und Reduktion des störenden Hintergrunds 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 derartige Experimente. 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-Experimente wesentlich. „Auto-Ema“ misst vollautomatisch das Ausgasen von Radon aus festem Material. Das erleichtert die Materialauswahl und das Testen von Methoden zum Unterdrücken des Ausgasens.

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Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen mit winziger Masse, von denen es drei Sorten 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 empfindliche Detektoren mit bester Abschirmung gegen Störeinflüsse.

Beim Betazerfall, wenn ein Neutron in ein Proton und ein Elektron zerfällt, wird auch ein Antineutrino frei und es entsteht ein anderes Element. Manche Atomkerne, darunter das Germanium-Isotop 76Ge, zeigen statt des einfachen den doppelten Betazerfall: es zerfallen zwei Neutronen gleichzeitig, mit zwei oder keinem Neutrino. Das GERDA-Experiment sucht nach dem neutrinolosen doppelten Betazerfall in reinen, stark mit ⁷⁶Ge angereicherten Germaniumkristallen. Sollte er möglich sein, ist der neutrinolose Doppelbetazerfall extrem selten. Bisher fand man keinen Hinweis auf den Zerfall – nur dass dessen Halbwertszeit in ⁷⁶Ge mindestens 1026 Jahre beträgt. Mit mehr Germanium und längerer Messzeit hofft man, ihn doch noch zu finden – eventuell erst mit dem Nachfolgeprojekt LEGEND. Dann wären Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen, sogenannte Majorana-Teilchen, und man könnte daraus ihre Masse ableiten.

Für die Ruhemasse der Neutrinos sind bisher nur Grenzen und Differenzen bekannt. Andere Experimente zur Bestimmung der Neutrinomasse beruhen auf dem Einfang eines Elektrons durch ein Proton im Kern. Zusätzlich ist die Kenntnis der exakten Massendifferenz zwischen Mutter- und Tochterkern erforderlich. Eine Gruppe am MPIK führt derartige Präzisionsmessungen durch.

Der periodische Wechsel zwischen den drei Neutrinosorten Elektron-, Myon- und Tauon-Neutrino („Neutrino-Oszillationen“) wird durch sogenannte Mischungswinkel beschrieben. Das Double-Chooz-Experiment verwendet Neutrinos aus einem Kernkraftwerk in Frankreich, um den lange unbekannten dritten Mischungswinkel zu messen. Die beiden baugleichen Detektoren in verschiedenen Abständen von den Reaktoren sehen mit ihrem flüssigen gadoliniumhaltigen Szintillator nur Elektron-Antineutrinos, deren Zahl vom nahen zum fernen Detektor durch die Oszillationen abnimmt. Die Ergebnisse bestätigen, dass auch dieser Mischungswinkel nicht null ist, also tatsächlich alle Oszillationen stattfinden.

Allerdings messen viele Experimente bei Kernreaktoren etwa 6% weniger Neutrinos als erwartet. Der STEREO-Detektor versucht herauszufinden, ob sogenannte sterile, also nicht wechselwirkende, Neutrinos für diese Reaktorneutrino-Anomalie verantwortlich sind.

Reaktorneutrinos nutzt auch das CONUS-Experiment, das die kohärente Neutrino-Kern-Streuung, also die Streuung von Neutrinos am Kern als Ganzem, erforscht. Hochreine Germaniumdetektoren mit niedriger Energieschwelle registrieren den winzigen Energieübertrag bei diesem Streuprozess, der aber erheblich wahrscheinlicher ist als die Wechselwirkung von Neutrinos mit Elektronen.

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GERDA: sind Neutrinos und Antineutrinos identisch? (pdf)
Double Chooz: Der dritte Mischungswinkel der Neutrinos (pdf)
STEREO: Stecken sterile Neutrinos hinter der Reaktor-Antineutrino-Anomalie? (pdf)
CONUS: Nachweis kohärenter Neutrino-Kern- Streuung