Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Suche nach Dunkler Materie mit neuer Methode

21.08.2015

Dunkle-Materie-Teilchen sollten mit Atomkernen wechselwirken – so gängige Theorien. Während die Suche vieler Experimente danach bisher erfolglos blieb, behauptet die DAMA/LIBRA-Kollaboration, ein Signal von Dunkler Materie entdeckt zu haben. Die Wissenschaftler der XENON-Kollaboration haben nun in ihren Daten nach Wechselwirkungen der Dunklen Materie mit Elektronen der Atomhülle gesucht. Die Auswertung ergab kein Signal über dem sehr niedrigen Hintergrundrauschen. Damit ist eine Erklärung des Widerspruchs durch Modelle hinfällig, die eine Wechselwirkung der Dunklen Materie nur mit Elektronen annehmen. [Science, 21.08.2015; Physical Review Letters, angenommen]

Schwach wechselwirkende schwere Teilchen, WIMPs genannt, sind aus theoretischer Sicht die wohl bevorzugten Kandidaten für Dunkle Materie. In Experimenten sollten sie sich gelegentlich durch Stöße mit Atomkernen des Detektormaterials bemerkbar machen. „Unser XENON100-Detektor gehört zu den weltweit empfindlichsten, trotzdem haben wir damit keine Dunkle Materie gefunden“, sagt Uwe Oberlack von der Universität Mainz.


Der innere Teil des XENON100 Detektors, rechts die Lichtsensoren.

Fotos: XENON-Kollaboration


Vergleich der XENON100-Daten (blau) mit DAMA/LIBRA: Die rote Kurve zeigt, wie das DAMA/LIBRA-Energie-Spektrum der jahreszeitlichen Modulation von XENON100 gesehen würde.

Grafik: XENON-Kollaboration

Die Bewegung der Erde um die Sonne, die sich auf ihrer Bahn um das Zentrum der Milchstraße durch deren Dunkle-Materie-Halo bewegt, sollte weiterhin zu einer jahreszeitlichen Modulation des Signals führen: Im Sommer werden mehr, im Winter weniger Ereignisse erwartet. Das DAMA/LIBRA-Experiment hat mit seinem Natriumiodid-Detektor zwar eine solche Modulation über einen Zeitraum von 14 Jahren gemessen, diese als WIMP-Signal zu interpretieren steht aber im Widerspruch zu den Ergebnissen mehrerer anderer Experimente.

Weil DAMA/LIBRA nicht zwischen Streuungen am Atomkern oder den Elektronen der Atomhülle unterscheiden kann, wären leichtere Teilchen, die nur an Elektronen streuen, eine mögliche Erklärung aller Daten. Deshalb haben die Wissenschaftler der XENON-Kollaboration jetzt mit neuen Analysemethoden in ihren Daten nach Hinweisen darauf gesucht und ihre Ergebnisse in zwei Arbeiten publiziert. Der XENON100-Detektor (siehe Bild 1) nutzt als Nachweismedium 62 kg flüssiges Xenon und misst die winzigen Ladungs- und Lichtsignale, die bei den seltenen Kollisionen von Dunkle-Materie-Teilchen mit Xenon-Atomen erwartet werden.

Im Gegensatz zu DAMA/LIBRA kann XENON100 zwischen Streuung an Atomkernen und an Elektronen gut unterscheiden. Untergebracht ist das Experiment im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor (LNGS), wo 1400 m Fels die störende kosmische Strahlung abschirmen. Um falsche Signale aufgrund der natürlichen Radioaktivität in der Umgebung des Detektors auszuschließen, wird der Detektor durch Schichten von Xenon, Kupfer, Polyethylen, Blei und Wasser abgeschirmt. Dadurch ist die Rate störender Hintergrundsignale mehr als 100 Mal niedriger als bei DAMA/LIBRA und sogar geringer als die dort beobachtete Amplitude der jahreszeitlichen Modulation.

Nichtsdestotrotz hat die XENON-Kollaboration ihre Daten zur Streuung an Elektronen der Atomhülle auch auf zeitliche Variationen hin untersucht. Entscheidend war dabei, dass der Detektor selbst während der gesamten Messzeit stabil betrieben wurde. Dies konnte für einen Xenon-Detektor nun zum ersten Mal überhaupt gezeigt werden. „Die Suche nach möglichen zeitlichen Variationen ergab keine signifikante Modulation über Zeiträume von bis zu 500 Tagen – im Widerspruch zur Beobachtung von DAMA/LIBRA“, fasst Christian Weinheimer von der Universität Münster das Ergebnis der neuen Analyse zusammen.

Die XENON-Forscher haben zudem unter verschiedenen Annahmen berechnet, wie das Signal von DAMA/LIBRA in ihrem Detektor aussehen würde, wenn es von an Elektronen gestreuten Dunkle-Materie-Teilchen verursacht worden wäre. Der Vergleich dieser Erwartung mit den XENON100-Daten aus einem Zeitraum von 70 Tagen rund um das Maximum der jahreszeitlichen Modulation ist eindeutig: Kein Signal, sondern nur der erwartete Hintergrund (siehe Bild 2). Die berechnete Obergrenze für die Wahrscheinlichkeit einer solchen Wechselwirkung ist so niedrig, dass das DAMA/LIBRA-Signal komplett ausgeschlossen werden kann.

„Somit hält keines der untersuchten Modelle, das die DAMA/LIBRA-Daten in Übereinstimmung mit den Ergebnissen anderer Experimente bringen könnte, der neuen Überprüfung durch das XENON100-Experiment stand“, resümiert Manfred Lindner vom KPI für Kernphysik, „Folglich lässt sich das DAMA/LIBRA-Ergebnis auch nicht mit Dunkler Materie erklären, die nur an Elektronen streut.“

Da der XENON100 Detektor an der Grenze seiner Sensitivität angekommen ist, installiert die Kollaboration im Moment einen 100 Mal empfindlicheren Detektor. Dieses Instrument, XENON1T, wird Ende des Jahres ein komplett neues Kapitel bei der Suche nach Dunker Materie aufschlagen.


An der internationalen XENON-Kollaboration sind aus Deutschland das Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz und die Westfälische Wilhelms-Universität Münster beteiligt. Alle Institute engagieren sich bei der Datennahme und -analyse. Das MPIK ist in XENON100 zusätzlich verantwortlich für die Vermessung und Unterdrückung des extrem niedrigen radioaktiven Hintergrunds im Xenon-Gas mit sehr empfindlichen Geräten. Bei XENON1T liegen Auswahl und Kontrolle von Detektormaterialien mit extrem niedriger Radioaktivität, Entwicklung und Test der Lichtsensoren sowie das Xenon-Target im Verantwortungsbereich des MPIK. Die Gruppe an der Universität Mainz war für XENON100 u.a. für die Elektroden des inneren Detektors verantwortlich sowie am Datenauslesesystem maßgeblich beteiligt. Für XENON1T liegt ihre Verantwortlichkeit beim Myon-Detektor. Die Gruppe ist ferner am innovativen Xenon-Lagersystem ReStoX sowie am inneren Detektor beteiligt. Die Forscher der Universität Münster sind an beiden XENON-Detektoren engagiert und liefern wichtige Beiträge zur Kalibration. Für das kommende XENON1T-Experiment ist die Münsteraner Gruppe für die Reinheit des Xenons verantwortlich und hat den Reinigungskreislauf und eine einzigartige kryogene Destillationsanlage entwickelt.

Originalpublikationen:

Exclusion of Leptophilic Dark Matter Models using XENON100 Electronic Recoil Data
XENON Collaboration, arXiv:1507.07747 [astro-ph.CO] http://arxiv.org/abs/1507.07747 (28.07.2015), Science (21.08.2015)

Search for Event Rate Modulation in XENON100 Electronic Recoil Data
XENON Collaboration, arXiv:1507.07748 [astro-ph.CO] http://arxiv.org/abs/1507.07748 (28.07.2015), Phys. Rev. Lett. (angenommen)

Kontakt:

Prof. Dr. Manfred Lindner
Max Planck Institut für Kernphysik
Saupfercheckweg 1
69117 Heidelberg
Tel.: 06221 516800
Email: manfred.lindner@mpi-hd.mpg.de
http://www.mpi-hd.mpg.de/lin/

Prof. Uwe Oberlack
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität
Staudinger Weg 7
D-55099 Mainz
Tel.: 06131 3925167
Email: oberlack@uni-mainz.de
http://xenon.physik.uni-mainz.de/

Prof. Dr. Christian Weinheimer
Institut für Kernphysik
Wilhelm-Klemm-Straße 9
D-48149 Münster
Tel.: 0251 8334971
Email: weinheimer@uni-muenster.de
http://www.uni-muenster.de/Physik.KP/AGWeinheimer/

Dr. Bernold Feuerstein | Max-Planck-Institut für Kernphysik

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Proteintransport - Stau in der Zelle
24.03.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise