Das XENONnT-Experiment wurde entwickelt, um nach Teilchen der Dunklen Materie mit einer um eine Größenordnung besseren Empfindlichkeit als sein Vorgänger zu suchen. Der Detektor im Kern des Experiments ist eine zylindrische so genannte "time projection chamber" (TPC) mit einer Höhe und einem Durchmesser von etwa 1,5 Metern, die mit ultrareinem flüssigem Xenon gefüllt ist, das bei -95 °C gehalten wird. Die inneren 5900 kg Xenon von den insgesamt 8600 kg, die zum Betrieb des Detektors benötigt werden, bilden das aktive Medium für die WIMP-Suche. Es ist im Inneren eines Wasser-Cherenkov-Detektors installiert, welcher als Myonen- und Neutronen-Veto-System dient. Das gesamte Experiment befindet sich tief unter der Erde in den unterirdischen Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) des INFN in Italien. XENONnT wurde nach etwa einem Jahr Bauzeit im Frühjahr 2021 in Betrieb genommen und sammelte zwischen dem 6. Juli und 10. November 2021 insgesamt 97 Tage wissenschaftliche Daten.
Die Signatur einer WIMP-Wechselwirkung mit einem Xenon-Atom ist ein winziger Blitz aus Szintillationslicht zusammen mit einer Handvoll Ionisationselektronen, die durch ein angelegtes elektrisches Feld zur Oberseite des TPC driften, wo sie durch ein stärkeres elektrisches Feld aus dem flüssigen Xenon in das darüber liegende gasförmige Xenon extrahiert werden. Dadurch entsteht ein zweites Szintillationssignal in der Gasphase. Beide Lichtsignale werden mit hochempfindlichen Lichtsensoren registriert, die für jedes Ereignis seine Energie und eine dreidimensionale Ortsrekonstruktion liefern.
Experimente auf der Suche nach dunkler Materie erfordern eine größtmögliche Unterdrückung von natürlicher Radioaktivität, sowohl aus Quellen, die intrinsisch im flüssigen Xenon-Target vorhanden sind, als auch aus Baumaterialien und der Umgebung. Ersteres wird von Radonatomen dominiert, die ständig aus den Detektormaterialien ausgasen und nur sehr schwer zu unterdrücken sind. Die XENON-Kollaboration hat Pionierarbeit bei Technologien geleistet, um Radon in Xenon auf ein beispiellos niedriges Niveau zu senken, von umfangreichen Kampagnen zur Materialselektion bis hin zu einer kryogenen Destillationsanlage, die Radon permanent aus dem Xenon entfernt. Eine weitere wichtige Störstrahlung stammt von Neutronen, die durch die geringe Restradioaktivität der Detektormaterialien erzeugt werden. Bei XENONnT reduziert diese ein neuartiger Neutronen-Veto-Detektor, der im Wassertank um den Xenon-Kryostat herum installiert wurde. Dieser erlaubt die Identifikation und Eliminierung von Neutronenereignissen, die ansonsten als WIMP-Signatur fehlinterpretiert werden könnten. Der XENONnT-Detektor ist so empfindlich gegenüber seltenen Wechselwirkungen, dass sogar Neutrinos, die bei weitem flüchtigsten bekannten Elementarteilchen, im Hintergrundmodell berücksichtigt werden müssen.
Mit diesem Ergebnis verstärkt XENONnT bereits mit seinen ersten Daten die bisherigen Limits bei der Suche nach Dunkler Materie. Das Experiment nimmt nun weiter Daten unter verbesserten Detektorbedingungen und einem noch niedrigeren Hintergrundniveau, welches aufgrund weiterer Optimierung der Radonkontrolle und -entfernung erreicht werden konnte. Daher ist zu erwarten, dass die Empfindlichkeit des Experiments für WIMPs in den kommenden Jahren noch signifikant gesteigert wird.
Die MPIK-Gruppe unter der Leitung von Prof. Manfred Lindner hat zentrale Beiträge zum XENONnT-Experiment geleistet: Von der Planung und dem Aufbau des Experiments bis hin zu seinem Betrieb und der Datenanalyse. Die MPIK-Gruppe ist dabei vor allem spezialisiert auf das Verständnis, die Messung und Unterdrückung des radioaktiven Hintergrunds, der für die Suche nach WIMP-Teilchen aus dunkler Materie unerlässlich ist. Insbesondere Verunreinigungen mit Spuren radioaktiver Edelgase (Krypton und Radon) konnten am MPIK mit zuvor unerreichter Genauigkeit quantifiziert und reduziert werden. Damit wurde essenziell zur Reduktion dieser Hintergrundquellen in XENONnT beigetragen, was sich - ergänzt durch die aktiven Xenon-Reinigungsverfahren - in der höchsten radioaktiven Reinheit manifestiert, die je in einem Detektor dieser Art erzielt wurde.
Weitere Informationen zum XENON-Projekt finden Sie unter xenonexperiment.org
[Xenon-Kollaboration]
