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 Kosmische Katastrophe bestätigt Einsteins Relativitätstheorie
10.07.2020 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Neue Erkenntnisse über Flüssigkeiten, die ohne Widerstand fließen
09.07.2020 | Universität Hamburg

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: Elektrische Spannung aus Elektronenspin – Batterie der Zukunft?

Forschern der Technischen Universität Ilmenau ist es gelungen, sich den Eigendrehimpuls von Elektronen – den sogenannten Elektronenspin, kurz: Spin – zunutze zu machen, um elektrische Spannung zu erzeugen. Noch sind die gemessenen Spannungen winzig klein, doch hoffen die Wissenschaftler, auf der Basis ihrer Arbeiten hochleistungsfähige Batterien der Zukunft möglich zu machen. Die Forschungsarbeiten des Teams um Prof. Christian Cierpka und Prof. Jörg Schumacher vom Institut für Thermo- und Fluiddynamik wurden soeben im renommierten Journal Physical Review Applied veröffentlicht.

Laptop- und Handyspeicher der neuesten Generation nutzen Erkenntnisse eines der jüngsten Forschungsgebiete der Nanoelektronik: der Spintronik. Die heutige...

Im Focus: Neue Erkenntnisse über Flüssigkeiten, die ohne Widerstand fließen

Verlustfreie Stromleitung bei Raumtemperatur? Ein Material, das diese Eigenschaft aufweist, also bei Raumtemperatur supraleitend ist, könnte die Energieversorgung revolutionieren. Wissenschaftlern vom Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ an der Universität Hamburg ist es nun erstmals gelungen, starke Hinweise auf Suprafluidität in einer zweidimensionalen Gaswolke zu beobachten. Sie berichten im renommierten Magazin „Science“ über ihre Experimente, in denen zentrale Aspekte der Supraleitung in einem Modellsystem untersucht werden können.

Es gibt Dinge, die eigentlich nicht passieren sollten. So kann z. B. Wasser nicht durch die Glaswand von einem Glas in ein anderes fließen. Erstaunlicherweise...

Im Focus: The spin state story: Observation of the quantum spin liquid state in novel material

New insight into the spin behavior in an exotic state of matter puts us closer to next-generation spintronic devices

Aside from the deep understanding of the natural world that quantum physics theory offers, scientists worldwide are working tirelessly to bring forth a...

Im Focus: Im Takt der Atome: Göttinger Physiker nutzen Schwingungen von Atomen zur Kontrolle eines Phasenübergangs

Chemische Reaktionen mit kurzen Lichtblitzen filmen und steuern – dieses Ziel liegt dem Forschungsfeld der „Femtochemie“ zugrunde. Mit Hilfe mehrerer aufeinanderfolgender Laserpulse sollen dabei atomare Bindungen punktgenau angeregt und nach Wunsch aufgespalten werden. Bisher konnte dies für ausgewählte Moleküle realisiert werden. Forschern der Universität Göttingen und des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie in Göttingen ist es nun gelungen, dieses Prinzip auf einen Festkörper zu übertragen und dessen Kristallstruktur an der Oberfläche zu kontrollieren. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature erschienen.

Das Team um Jan Gerrit Horstmann und Prof. Dr. Claus Ropers bedampfte hierfür einen Silizium-Kristall mit einer hauchdünnen Lage Indium und kühlte den Kristall...

Im Focus: Neue Methode führt zehnmal schneller zum Corona-Testergebnis

Forschende der Universität Bielefeld stellen beschleunigtes Verfahren vor

Einen Test auf SARS-CoV-2 durchzuführen und auszuwerten dauert aktuell mehr als zwei Stunden – und so kann ein Labor pro Tag nur eine sehr begrenzte Zahl von...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Intensiv- und Notfallmedizin: „Virtueller DIVI-Kongress ist ein Novum für 6.000 Teilnehmer“

08.07.2020 | Veranstaltungen

Größte nationale Tagung für Nuklearmedizin

07.07.2020 | Veranstaltungen

Corona-Apps gegen COVID-19: Nationalakademie Leopoldina veranstaltet internationales virtuelles Podiumsgespräch

07.07.2020 | Veranstaltungen

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

Erster Test für neues Roboter-Umweltmonitoring-System der TU Bergakademie Freiberg

10.07.2020 | Informationstechnologie

Binnenschifffahrt soll revolutioniert werden: Erst ferngesteuert, dann selbstfahrend

10.07.2020 | Verkehr Logistik

Robuste Hochleistungs-Datenspeicher durch magnetische Anisotropie

10.07.2020 | Informationstechnologie

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