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17.07.2012:
XENON100 setzt neue beste Ausschlussgrenzen für Dunkle Materie

Kein Beweis für die Existenz von WIMPs

Der XENON100-Detektor ohne die zusätzliche Abschirmung. Oben und unten sind die Lichtsensoren zu sehen. (Bild: XENON-Kollaboration, F. Arneodo)

Die neuen Ausschlussgrenzen für WIMPs: Das Diagramm zeigt die Wahrscheinlichkeit für die Wechselwirkung eines WIMP mit normaler Materie (vertikale Achse) gegenüber seiner Masse (horizontale Achse). Der Bereich oberhalb der blauen Kurve ist durch die neuen XENON100-Daten ausgeschlossen. (Grafik: XENON-Kollaboration)

Die Wissenschaftler der XENON-Kollaboration haben ein neues Ergebnis ihrer Suche nach Dunkler Materie veröffentlicht. Die Analyse der Daten von 13 Monaten Laufzeit des XENON100-Detektors ergab keinen Beweis für die Existenz von so genannten WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), den vielversprechendsten Kandidaten für Dunkle Materie. Es wurden zwei Ereignisse beobachtet, die statistisch mit dem einen Ereignis konsistent sind, das aufgrund der Untergrundstrahlung erwartet wird. Verglichen mit den Ergebnissen von 2011 wurde damit die weltbeste Empfindlichkeit um einen Faktor von 3,5 weiter verbessert. Das schränkt Modelle für „Neue Physik“ mit WIMP-Kandidaten stärker als bisher ein und hilft dabei, künftig gezielter nach WIMPs zu suchen. Eine Veröffentlichung mit den Ergebnissen wird in Kürze bei Physical Review Letters und bei arXiv eingereicht.

Kosmologische Beobachtungen zeichnen in konsistenter Weise ein Bild unseres Universums, in dem die gewöhnliche uns bekannte Materie nur etwa 4% ausmacht, während die bislang unbeobachteten Formen –Dunkle Materie und Dunkle Energie – den Rest beitragen. Dies entspricht den Erwartungen aus der Physik der allerkleinsten Bereiche des Mikrokosmos, wonach Erweiterungen des Standardmodells der Elementarteilchen die Existenz neuer exotischer Teilchen vorhersagen, welche perfekte Kandidaten für Dunkle Materie sind: WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), also schwere Teilchen, die nur schwach wechselwirken und somit sowohl durch Kosmologie als auch Teilchenphysik motiviert sind. Die Suche danach ist also wohl begründet und ihre Entdeckung würde dieses neue Bild des Universums bestätigen.

2011 hat die XENON-Kollaboration die Ergebnisse von 100 Messtagen veröffentlicht. Die dabei erreichte Empfindlichkeit verschob die Grenzen für WIMPs schon um einen Faktor 5-10 im Vergleich zu den früheren Messungen mit XENON10. Die neue Serie umfasst die Daten von insgesamt 225 Tagen in den Jahren 2011 und 2012 mit niedrigerem Untergrund und verbesserter Empfindlichkeit. Aber es wurde wieder kein Signal gefunden: die beiden beobachteten Ereignisse sind mit dem einen erwarteten Untergrundereignis statistisch konsistent. Die neuen Daten verbessern die Grenze auf 2.0×10-45 cm2 für elastische Streuung einer WIMP-Masse von 50 GeV, also um einen weiteren Faktor 4 und dringen bereits signifikant in die erwartete WIMP-Parameterregion ein. Weitere Messungen mit XENON100 und mit dem Nachfolgeexperiment XENON1T, das bereits in Bau ist, sollten entweder Beweise für WIMPs finden oder es müssen andere Formen von Dunkler Materie in Betracht gezogen werden.

Das XENON100-Experiment nutzt als WIMP-Target 62 kg flüssiges, ultrareines Xenon und misst die winzigen Ladungs- und Lichtsignale, die bei den seltenen Kollisionen von WIMPs mit Xenon-Atomkernen erwartet werden. Untergebracht ist das Experiment im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor (LNGS), wo 1400 m Fels die störende kosmische Strahlung abschirmen. Um falsche Signale aufgrund der restlichen Radioaktivität in der Umgebung des Detektors auszuschließen, werden nur Ereignisse in den inneren 34 kg des flüssigen Xenons als mögliche Signale gewertet. Zusätzlich ist der Detektor durch Schichten von Kupfer, Polyethylen, Blei und Wasser abgeschirmt, wodurch der Untergrund weiter reduziert wird.

Das Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) leistet in der XENON-Kollaboration verschiedene wichtige Beiträge. Dazu zählen neben der Beteiligung an der Datenanalyse der Nachweis und die Reduktion von kleinsten Mengen von radioaktiven Spuren aus der Umwelt, die im Detektor ein Untergrundsignal produzieren. Verschiedene Techniken werden eingesetzt, um sowohl das Xenon-Gas als auch alle anderen Detektor-Materialien auf kleinste Verunreinigungen zu untersuchen. Dies ist für XENON100 sehr wichtig, weil das verbleibende Untergrundsignal von einem möglichen WIMP-Signal getrennt werden muss. Auch für das Nachfolgeprojekt XENON1T ist die Expertise des MPIK bezüglich radioaktiven Spuren von zentraler Bedeutung, weil das verbleibende Untergrundsignal einen begrenzenden Faktor darstellt. Das MPIK wird mit 1,2 Tonnen etwa die Hälfte des für XENON1T benötigten Targets (des seltensten stabilen Isotops auf der Erde) liefern. Weiter wird das MPIK einen Teil der Lichtsensoren zu XENON1T beisteuern und dazu ein Testprogramm in Kryoflüssigkeiten betreiben. Diese Aktivitäten werden durch Simulationen abgerundet, um für XENON1T die optimalen Detektorparameter zu erreichen.

An der XENON-Kollaboration beteiligt sind Wissenschaftler aus 15 Institutionen in den USA (Columbia University New York, University of California Los Angeles, Rice University Houston, Purdue University), Frankreich (Subatech Nantes), Deutschland (Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg, Johannes Gutenberg Universität Mainz, Westfälische Wilhelms-Universität Münster), Israel (Weizmann Institute of Science), Italien (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Università di Bologna), Niederlande (Nikhef Amsterdam), Portugal (Universidade de Coimbra), Schweiz (Universität Zürich) und China (Shanghai Jiao Tong University).

Außer von den Mitgliedern der Kollaboration wird XENON100 unterstützt von der National Science Foundation und Department of Energy in den USA, dem Schweizerischen Nationalfonds, dem l'Institut National de Physique des Particules et de Physique Nucléaire und La Région des Pays de la Loire in Frankreich, der Max-Planck-Gesellschaft und der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem Weizmann Institute of Science, der deutsch-israelischen Minerva Gesellschaft und GIF in Israel, FOM in den Niederlanden, der Fundação para a Ciência e Tecnologia in Portugal, dem Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Italien und STCSM in China.

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Weitere Informationen:

 Vortrag von E. Aprile auf der DarkAttack am 18.07.2012

 Veröffentlichung auf arXiv

 Webseiten der Kollaboration

XENON am MPIK (Abteilung Lindner)

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Kontakt am MPIK:

Prof. Dr. Manfred Lindner
Tel.: +49 6221 516 800
E-Mail: manfred.lindner (at) mpi-hd.mpg.de

Dr. Hardy Simgen
Tel.: +49 6221 516 530
E-Mail: hardy.simgen (at) mpi-hd.mpg.de

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