Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Empfindlichkeits-Rekord bei der Suche nach Dunkler Materie - XENON1T setzt neue Grenzen für „WIMPs“

28.05.2018

Kosmologische Beobachtungen legen nahe, dass das Universum zum großen Teil aus Dunkler Materie besteht. Was diese Materie ausmacht, ist allerdings bislang vollkommen unbekannt. WIMPs (weakly interacting massive particles) sind sehr gute Kandidaten dafür und werden von vielen Theorien vorhergesagt. Der weltweit empfindlichste Detektor, XENON1T, verwendet kaltes, flüssiges Xenon zur Suche nach WIMPs. Die Forscher der internationalen XENON-Kollaboration haben nun die Ergebnisse einer einzigartigen Suchkampagne präsentiert, mit der sie tief in den erwarteten Bereich vordringen konnten. Die Messungen laufen weiter, und im nächsten Jahr soll eine größere Version des Detektors in Betrieb gehen.

Heute (28. Mai) stellen Prof. Elena Aprile von der Columbia University, Sprecherin der XENON-Kollaboration, und Prof. Manfred Lindner vom MPI für Kernphysik in Vorträgen am LNGS bzw. CERN die neuesten Ergebnisse von XENON1T vor, dem weltweit größten und empfindlichsten Detektor zur direkten Suche nach Dunkler Materie in Form von WIMPs (weakly interacting massive particles).


Das XENON1T-Experiment im Gran-Sasso-Untergrundlabor mit Wassertank zur Strahlungsabschirmung, der den Detektor enthält (links), und Technikgebäude (rechts).

Roberto Corrieri, Patrick De Perio (XENON-Kollaboration)

WIMPs sind aussichtsreiche Kandidaten für Dunkle Materie, nach denen eine intensive Suche mit verschiedenartigen Experimenten läuft. Obwohl geschätzt eine Milliarde WIMPs pro Sekunde durch jeden Quadratmeter der Erdoberfläche fliegen, sind sie äußerst schwer nachzuweisen.

Die Empfindlichkeit von Dunkle-Materie-Detektoren wie XENON1T steigt mit der Detektormasse, der Messzeit sowie der erreichten Unterdrückung von radioaktiver Hintergrundstrahlung. Der umfangreiche Datensatz von 1 Tonne × Jahr stimmt mit der Erwartung für den Hintergrund überein und setzt damit die stärkste Grenze für Spin-unabhängige Wechselwirkung von WIMPs mit normaler Materie für eine WIMP-Masse von mehr als 6 GeV/c². Diese Ergebnisse zeigen, dass WIMPs – falls sie tatsächlich das Dunkle-Materie-Teilchen sind – ein derart seltenes Signal erzeugen, dass selbst der größte und empfindlichste bisher gebaute Detektor es nicht nachweisen kann.

Die Empfindlichkeit von XENON1T ist um rund vier Größenordnungen besser als die von XENON10, dem ersten Detektor des XENON-Projekts, der ab 2005 im Gran-Sasso-Untergrundlabor (LNGS) in Italien in Betrieb war. Durch kontinuierliches Steigern der für die Suche verwendeten Masse flüssigen Xenons von anfänglichen 5 kg auf aktuell 1300 kg und gleichzeitiges Reduzieren der Hintergrundsignale um einen Faktor 5000 gelang es der XENON-Kollaboration, die weltweite Suche nach Dunkler Materie jahrelang anzuführen und immer tiefer in den vorhergesagten Parameterbereich für WIMPs vorzudringen.

XENON1T besteht aus einem zylindrischen Isoliergefäß von etwas über einem Meter Höhe und Durchmesser, gefüllt mit –95 °C kaltem, flüssigem Xenon, dessen Dichte dreimal so groß ist wie die von Wasser. Darin würde sich die Wechselwirkung eines WIMPs mit einem Xenon-Atom durch ein schwaches Lichtsignal und einige freigesetzte Elektronen, die ihrerseits leicht verzögerte Lichtsignale erzeugen, bemerkbar machen. Hochempfindliche Lichtsensoren registrieren beide Signale. Daraus können die Wissenschaftler den genauen Ort und die freigesetzte Energie jedes einzelnen Ereignisses ableiten. Der Detektor wird daher als Zeit-Projektionskammer bezeichnet.

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung dieses einzigartigen Detektors für die Suche nach seltenen WIMP-Signalen war die Reduktion des dramatisch größeren Hintergrunds, verursacht von natürlicher Radioaktivität und kosmischer Strahlung.

Aktuell ist XENON1T das größte Dunkle-Materie-Experiment mit dem niedrigsten je erreichten Hintergrund im für die WIMP-Suche interessanten Energiebereich: Pro Tag werden in den inneren 1300 der insgesamt 2000 kg Xenon gerade einmal zwei Hintergrundereignisse nachgewiesen, die durch die spezielle XENON-Technologie von WIMP-Signalen unterschieden werden können.

Die jetzt bei Physical Review Letters eingereichten Resultate basieren auf 279 Tagen Messung, was einem Datensatz von genau 1 Tonne × Jahr entspricht. Das ist die erste WIMP-Suche dieses Umfangs mit flüssigem Edelgas.

XENON1T sammelt weiter Daten, bis die derzeit in Vorbereitung befindliche größere Version des Detektors einsatzbereit ist, für die die meisten Komponenten schon ausgelegt sind. Mit dreimal mehr Xenon in der Zeit-Projektionskammer und zehnmal geringerer Hintergrundrate wird XENONnT ab 2019 eine neue Phase der Suche nach Dunkle-Materie-Teilchen starten – und dabei eine Empfindlichkeit erreichen, die zu Projektbeginn 2002 unvorstellbar schien.

Die internationale XENON-Kollaboration besteht aus mehr als 165 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von 27 Institutionen. Aus Deutschland sind das Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg, die Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz und die Westfälische Wilhelms-Universität Münster beteiligt. Gefördert wird das Projekt von der MPG, dem BMBF und der DFG.

Kontakt:
Prof. Dr. Manfred Lindner
Max-Planck-Institut für Kernphysik
E-Mail: manfred.lindner@mpi-hd.mpg.de
Tel.: 06221 516800

Prof. Dr. Uwe Oberlack
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
E-Mail: oberlack@uni-mainz.de
Tel.: 06131 3925167

Prof. Dr. Marc Schumann
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
E-Mail: marc.schumann@physik.uni-freiburg.de
Tel.: 0761 20396894

Prof. Dr. Christian Weinheimer
Westfälische Wilhelms-Universität Münster
E-Mail: weinheimer@uni-muenster.de
Tel.: 0251 8334971

Weitere Informationen:

http://www.youtube.com/watch?v=9YMGZAKv11Q - Film über den Bau von XENON1T
http://xenon1t.org/ - Webseiten von XENON1T

Dr. Gertrud Hönes | Max-Planck-Institut für Kernphysik

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht 5000 mal schneller als ein Computer
14.01.2019 | Forschungsverbund Berlin e.V.

nachricht Neuartiger Schaltkreis für die Quantenphotonik entwickelt
14.01.2019 | Universität Paderborn

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: Roter Riesenvollmond in den Morgenstunden des 21. Januar

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg - Frühaufsteher sind diesmal im Vorteil: Wer am Morgen des 21. Januar 2019 vor 6:45 Uhr einen Blick an den Himmel wirft, kann eine totale Mondfinsternis bestaunen. Dann leuchtet der sonst so strahlende Vollmond zwischen den Sternbildern Zwillingen und Krebs glutrot.

Um das Finsternis-Spektakel in seiner gesamten Länge zu verfolgen, muss man allerdings sehr früh aus dem Bett: Kurz nach 4:30 Uhr beginnt der Mond sich langsam...

Im Focus: Atomarer Mechanismus der Supraschmierung aufgeklärt

Das Phänomen der sogenannten Supraschmierung ist bekannt, es war jedoch auf atomarer Ebene bislang nicht zu erklären: Wie entsteht die extrem niedrige Reibung beispielsweise in Lagern? Forscherinnen und Forscher der Fraunhofer-Institute IWM und IWS entschlüsselten gemeinsam einen universellen Mechanismus der Supraschmierung bei bestimmten diamantähnlichen Kohlenstoffschichten in Verbindung mit organischen Schmierstoffen. Auf dieser Wissensbasis ist es nun möglich, Designregeln für supraschmierende Schicht-Schmierstoff-Kombinationen zu formulieren. Die Ergebnisse präsentiert ein Artikel der Zeitschrift Nature Communications, Ausgabe 10.

Eine der wichtigsten Grundvoraussetzungen für nachhaltige und umweltfreundliche Mobilität ist, Reibung zu minimieren. Diesem wichtigen Vorhaben widmen sich...

Im Focus: Elucidating the Atomic Mechanism of Superlubricity

The phenomenon of so-called superlubricity is known, but so far the explanation at the atomic level has been missing: for example, how does extremely low friction occur in bearings? Researchers from the Fraunhofer Institutes IWM and IWS jointly deciphered a universal mechanism of superlubricity for certain diamond-like carbon layers in combination with organic lubricants. Based on this knowledge, it is now possible to formulate design rules for supra lubricating layer-lubricant combinations. The results are presented in an article in Nature Communications, volume 10.

One of the most important prerequisites for sustainable and environmentally friendly mobility is minimizing friction. Research and industry have been dedicated...

Im Focus: Feuertaufe bestanden: EU-Partner testen erfolgreich neue Software für Weltraumroboter in Marokko

Rechtzeitig vor Weihnachten wurde die vom Robotics Innovation Center des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) im EU-Projekt FACILITATORS koordinierte Mars-analoge Mission in Marokko erfolgreich beendet. Ein Team von mehr als 30 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus elf Ländern erprobte im Rahmen des Strategic Research Clusters (SRC) on Space Robotics Technologies der Europäischen Union von Mitte November bis Mitte Dezember 2018 in der Wüste des Maghreb-Staates Technologien, die zukünftig für die Erkundung von Mars und Mond eingesetzt werden sollen.

Die Region Erfoud nahe der Grenze zu Algerien – bei Touristen auch für ihre eindrucksvollen Sanddünen bekannt – bot für die vierwöchige Feldtestkampagne ideale...

Im Focus: Mission completed – EU partners successfully test new technologies for space robots in Morocco

Just in time for Christmas, a Mars-analogue mission in Morocco, coordinated by the Robotics Innovation Center of the German Research Center for Artificial Intelligence (DFKI) as part of the SRC project FACILITATORS, has been successfully completed. SRC, the Strategic Research Cluster on Space Robotics Technologies, is a program of the European Union to support research and development in space technologies. From mid-November to mid-December 2018, a team of more than 30 scientists from 11 countries tested technologies for future exploration of Mars and Moon in the desert of the Maghreb state.

Close to the border with Algeria, the Erfoud region in Morocco – known to tourists for its impressive sand dunes – offered ideal conditions for the four-week...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Lasersymposium Elektromobilität in Aachen

11.01.2019 | Veranstaltungen

Die Rolle des Menschen in der digitalisierten Arbeitswelt

10.01.2019 | Veranstaltungen

Vom Verbrenner zum E-Fahrzeug!

09.01.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Heilende Wirkung von Radon

14.01.2019 | Medizin Gesundheit

5000 mal schneller als ein Computer

14.01.2019 | Physik Astronomie

Neuartiger Schaltkreis für die Quantenphotonik entwickelt

14.01.2019 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics