Kosmologische Beobachtungen zeichnen in konsistenter Weise ein Bild unseres Universums, in dem die gewöhnliche uns bekannte Materie nur etwa 17% ausmacht, während die übrigen 83% aller Materie, in einer neuen, bislang unbeobachteten Form – der so genannten Dunklen Materie – vorliegt. Dies entspricht sehr gut den Erwartungen aus der Physik der allerkleinsten Bereiche des Mikrokosmos, wonach notwendige 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.
Ein weiterer Hinweis rührt aus der Tatsache, dass die berechnete Häufigkeit solcher aus dem Urknall stammenden Teilchen der geforderten Menge Dunkler Materie entspricht. Eine Suche nach WIMPs ist daher sehr gut begründet und ein direkter Nachweis solcher Teilchen würde dieses neue Weltbild bestätigen.
Die Natur und die Eigenschaften Dunkler Materie werden mit einer Reihe von Zugängen und Methoden untersucht, welche indirekte Hinweise darauf geben, wonach konkret zu suchen ist. Man erwartet, dass WIMPs eine mit Atomkernen vergleichbare Masse haben und nur sehr schwach mit normaler Materie wechselwirken. Um die sichtbare Scheibe unserer Galaxis sollten sie eine enorme Wolke bilden, durch welche sich die Erde gemeinsam mit der Sonne auf ihrem Weg durch die Galaxie bewegt. Der daraus resultierende „WIMP-Wind“ kann gelegentlich an einem Atomkern in einem erdgebundenen Detektor streuen und so einen winzigen Energiebetrag freisetzen, der mittels äußerst empfindlicher Instrumente nachgewiesen werden kann.
Das XENON100-Experiment nutzt als WIMP-Target 62 kg des Edelgases Xenon in flüssiger Form, das sich bei einer Temperatur um –90°C in einem Edelstahl-Kryostat befindet. Dieser ist mit einer Kältemaschine ausgestattet, welche die Betriebsbedingungen äußerst stabil hält. Untergebracht ist das Experiment im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor (LNGS), wo 1400 m Fels die störende kosmische Strahlung abschirmen. Der weiteren Abschirmung radioaktiver Strahlung aus dem Detektor selbst und seiner Umgebung dienen Schichten aktiver und passiver um das Target herum angeordneter Absorber. Diese beinhalten 100 kg aktiven Xenon-Flüssigszintillator, 2,1 t ultrareines Kupfer, 1,6 t Polyethylen und 34 t Blei und Wasser. Für die Detektorkomponenten wurden nur radiochemisch hochreine Materialien verwendet, um eine äußerst strahlungsarme Umgebung zu gewährleisten.
Teilchen, die innerhalb des aktiven Flüssigkeitsvolumens streuen, regen Xenon-Atome an und ionisieren sie. Dies führt einerseits zur prompten Emission von ultraviolettem Szintillationslicht. Zu einer weiteren, verzögerten, Emission von Szintillationslicht kommt es durch die bei der Ionisation freigesetzten Elektronen. Diese driften durch die Flüssigkeit bis zu deren Oberfläche, um anschließend in dem darüber liegenden, mit Xenon-Gas gefüllten Volumen beschleunigt zu werden. Dabei kommt es im Gas zu Lumineszenz mit der gleichen Wellenlänge von 178 nm wie die des prompten Signals. Die beiden Szintillations-Lichtsignale (primär und sekundär) werden mit zwei Anordnungen von Lichtsensoren nachgewiesen, von denen sich die eine am Boden in der Flüssigkeit, die andere darüber im gasgefüllten Volumen befindet (Abb. 1). Die gleichzeitige Messung dieser beiden Lichtsignale erlaubt die Bestimmung sowohl der Energie als auch der räumlichen Position des Ereignisses, was Informationen über dessen Natur liefert. Das Verhältnis der beiden Lichtsignale und die präzise Ortsbestimmung ergeben eine spezifische Signatur der gesuchten WIMP-Ereignisse und stellen gleichzeitig eine exzellente Methode zur Unterscheidung von Hintergrundereignissen dar.
Die im XENON100-Experiment verwendete Technologien und Methoden beruhen auf den Forschungs- und Entwicklungsarbeiten innerhalb des XENON-Programms zur Suche nach Dunkler Materie, welches 2006 zum XENON10-Prototyp führte. Die zehnfach vergrößerte Targetmasse kombiniert mit einem 100fach verringerten Strahlungsuntergrund ergab eine substantielle Verbesserung der Empfindlichkeit für die Streuung von WIMPs an Atomkernen. Ein umfangreiches Kalibrierungsprogramm mit verschiedenen Gamma- und Neutronenquellen demonstrierte, dass die Ziele von XENON100 hinsichtlich Empfindlichkeit und niedrigem Strahlungsuntergrund erreicht werden konnten.
Eine erste Auswertung von 11,2 Tagen Datennahme während der Inbetriebnahme des Experiments im Oktober und November 2009 ergab bereits neue Obergrenzen für die Wechselwirkungsrate von WIMPs – die weltweit beste für WIMP-Massen unterhalb von ca. 80 Protonenmassen (siehe Physical Review Letters 105 (2010) 131302).
Die nächste Messreihe zur Suche nach Dunkler Materie startete im Januar 2010 und 100 Tage Datennahme aus dieser Reihe wurden nun analysiert. Insgesamt drei Kandidaten wurden im vordefinierten Parameterbereich, in dem ein WIMP-Signal erwartet würde, gefunden. Auch wenn diese Ereignisse von tatsächlichen Streuereignissen im Detektor kommen, ist dies in statistischer Übereinstimmung mit dem radioaktiven Untergrund, von dem zwei Ereignisse erwartet werden. Ein Signal für Dunkle Materie liegt somit nicht vor und es ergibt sich eine Obergrenze an die Wechselwirkungsstärke mit normaler Materie. Dieses Ergebnis ist die bisher weltbeste Grenze. Dadurch werden Modelle, die Dunkle Materie vorhersagen, merklich eingeschränkt.
XENON100 hat unter allen Experimenten zur Suche nach Dunkler Materie den niedrigsten Untergrund erreicht (siehe Physical Review D (2011), arXiv:1101.3866). Während die hier vorgestellten Daten genommen wurden, konnte der intrinsische Untergrund von im Xenon in Spuren enthaltenem radioaktiven Krypton auf ein vorher nie erreichtes Maß reduziert werden. Während nun mit verbesserter Detektor-Charakteristik weitere Daten genommen werden bereitet die Kollaboration das Experiment der nächsten Generation vor. Dieser neue Detektor soll 1000 kg flüssiges Xenon als Targetmasse haben. Mit weiteren Reduktionen beim radioaktiven Untergrund wird dieser XENON1T-Detektor am Ende hundertmal sensitiver sein als XENON100. Die kommenden Jahre sind daher sehr spannend und es gibt berechtigte Hoffnung, eines der fundamentalsten Rätsel der Physik lösen zu können.
Das Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) leistet in der XENON-Kollaboration verschiedene wichtige Beiträge. Dazu zählen neben der Beteiligung an der Analyse des Experiments der Nachweis und die Reduktion von kleinsten Mengen von radioaktiven Spuren aus der Umwelt, die im Detektor ein Untergrundsignal produzieren. Hierzu werden verschiedene Techniken eingesetzt um sowohl im Xenon-Gas als auch in allen anderen Detektor-Materialien auf kleinste Verunreinigungen zu untersuchen. Dies ist für XENON100 und die aktuelle Analyse 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 betrieben. Diese Aktivitäten werden durch Simulationen abgerundet, um für XENON1T die optimalen Detektorparameter zu erreichen.
An der XENON-Kollaboration sind 60 Wissenschaftler und 14 Institutionen aus den USA (Columbia University New York, University of California Los Angeles, Rice University Houston), China (Jiao Tong University Shanghai), Frankreich (Subatech Nantes), Deutschland (Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, Westfälische Willhelms-Universität Münster), Israel (Weizmann Institute of Science), Italien (Laboratori Nazionali del Gran Sasso, INFN e Università di Bologna), Niederlande (Nikhef Amsterdam), Portugal (Universidade de Coimbra) und der Schweiz (Universität Zürich) beteiligt.
Unterstützt wird XENON100 neben den beteiligten Institutionen von der National Science Foundation und dem Department of Energy (USA), dem Schweizerischen Nationalfonds, dem l’Institut national de physique des particules et de physique nucléaire und La Région des Pays de la Loire (Frankreich), der Max-Planck-Gesellschaft und der Deutschen Forschungsgemeinschaft, der deutsch-israelischen Minerva-Gesellschaft und GIF (Israel), FOM (Niederlande), Fundação para a Ciência e Tecnologia (Portugal), INFN (Italien) und STCSM (China).
Abbildung 1 in hoher Auflösung
Abbildung 2 in hoher Auflösung
Weblinks:
Abteilung von Manfred Lindner am MPI für Kernphysik, Heidelberg
XENON-Homepage der Columbia University, USA
Webseite des Gran-Sasso-Untergrundlabors (LNGS), Italien
Film zum Messprinzip von XENON100 (Columbia University, USA)
Interview mit Manfred Lindner zu den neuen XENON100-Ergebnissen (Spektrum der Wissenschaft)
Kontakt (MPIK):
Prof. Dr. Manfred Lindner
Tel.: +49 6221 516 800
Fax.: +49 6221 516 802
E-Mail: lindner (at) mpi-hd.mpg.de
Dr. Hardy Simgen
Tel.: +49 6221 516 530
Fax.: +49 6221 516 802
E-Mail: hardy.simgen (at) mpi-hd.mpg.de
(international)
Prof. Elena Aprile
(XENON100 Spokesperson)
Department of Physics
Columbia University, New York, USA
Tel.: +1 212 854 3258
Fax: +1 212 854 8121
E-Mail age (at) astro.columbia.edu
