Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neues Kapitel bei der Suche nach Dunkler Materie

11.11.2015

Im Universum muss es fünfmal mehr Dunkle Materie als die uns bekannte sichtbare Materie geben. Es ist aber immer noch unbekannt, woraus diese Dunkle Materie besteht. Heute hat ein internationales Wissenschaftlerteam im Gran-Sasso-Untergrundlabor in Italien das XENON1T-Instrument eingeweiht, das bei der Suche nach Dunkler Materie ein neues Kapitel aufschlägt.

Dunkle Materie ist ein wesentlicher Bestandteil des Universums, und seit Jahrzehnten wird mit Laborexperimenten danach gesucht. Allerdings konnte bis heute Dunkle Materie nur indirekt beobachtet werden, nämlich über ihre Schwerkraft, die alle Bewegungen von Sternen und Galaxien dominiert. Die Indizien deuten darauf hin, dass Dunkle Materie aus einer unbekannten Art von stabilen Elementarteilchen, sogenannten WIMPs besteht, die sich bisher der Beobachtung entzogen haben.


XENON1T im LNGS: rechts das Gebäude, das die Xenon-Aufbereitung sowie die Experimentsteuerung und Datenerfassung beherbergt, links der große Wassertank, in dessen Mitte der Detektor installiert ist.

XENON Collaboration


Montage des XENON1T-Detektors im Reinraum.

XENON Collaboration

WIMPs wären Geisterteilchen ähnlich wie Neutrinos, die ursprünglich auch auf Grund von Indizien postuliert wurden. „Wir gehen davon aus, dass etwa Hunderttausend Dunkle-Materie-Teilchen pro Sekunde die Fläche eines Daumennagels durchströmen“, sagt Prof. Manfred Lindner, Direktor am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg.

„Die Wahrscheinlichkeit, dass sie mit den Atomen in unserem Detektor wechselwirken, muss aber äußerst gering sein – sonst hätten wir sie schon gefunden. Der Bereich, in dem WIMPs sichtbar werden sollten, wurde bisher aber auch noch nicht umfassend abgesucht. Deshalb brauchen wir XENON1T, ein viel empfindlicheres Instrument, welches tief in den Bereich vordringt, in dem die seltenen Signale erwartet werden.“

Der Detektor wurde von der internationalen XENON-Kollaboration gebaut, der 21 Forschungsgruppen aus den USA, Deutschland, Italien, der Schweiz, Portugal, Frankreich, den Niederlanden, Schweden, Israel und Abu Dhabi angehören, und die heute die Einweihung ihres neuen XENON1T-Instruments gefeiert hat.

Die Feier mit Vertretern der geldgebenden Institutionen und Journalisten fand in den Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italien, einem der größten Untergrundlabors der Welt, statt. Etwa 80 Gäste versammelten sich zur Zeremonie in der 110 m langen, 15 m breiten und 15 m hohen Halle B des LNGS direkt beim XENON1T-Instrument. „Unser Detektor befindet sich unter 1400 m Gestein, um ihn vor der kosmischen Strahlung zu schützen“, erklärt Prof. Uwe Oberlack von der Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz den Standort des Instruments.

„Selbst in solcher Tiefe benötigen wir noch einen das Experiment umgebenden Schutz aus 750 Kubikmeter hochreinem Wasser, der verbleibende kosmische Strahlung durch winzige Lichtblitze anzeigt und umgebende Radioaktivität abschirmt.“ Bei der vorausgehenden Einführungsveranstaltung im Hörsaal des LNGS mit weiteren Gästen wurden in Vorträgen die physikalische Motivation und Strategie des Projekts und der Aufbau des Detektors vorgestellt.

Kampf gegen kleinste Mengen an Umweltradioaktivität

Als Detektor für Dunkle Materie verwendet XENON1T 3,5 Tonnen des Edelgases Xenon als ultrareine Flüssigkeit bei –95 °C. „Um die seltenen Wechselwirkungen von Dunkle-Materie-Teilchen im Detektor zu finden, brauchen wir eine große Menge Detektormaterial und eine extrem hohe radioaktive Reinheit“, erläutert Prof. Christian Weinheimer von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, „sonst hätten wir keine Chance, die echten Signale unter den Störsignalen zu finden.“

Deshalb haben die XENON-Wissenschaftler alle Materialien zum Bau des Instruments sorgfältig auf ihren Gehalt an radioaktiven Verunreinigungen untersucht und die reinsten ausgewählt. Er fügt hinzu: „Objekte völlig ohne Radioaktivität existieren nicht; winzige Spuren von Radioaktivität sind überall vorhanden, in Metallen, in den Wänden des Labors und selbst in unserem Körper. Wir setzen alles daran, diese radioaktiven Verunreinigungen so weit wie möglich zu reduzieren.“

Die XENON-Forscher messen extrem schwache Licht- und Ladungssignale, aus denen sie den Ort der Wechselwirkung im Detektor rekonstruieren, außerdem die freigesetzte Energie. Nur Signale aus der innersten 1 Tonne des flüssigen Xenons werden als möglicherweise von Dunkle-Materie-Teilchen verursacht angesehen. Das Licht wird von 248 Lichtsensoren registriert, die so empfindlich sind, dass sie einzelne Photonen nachweisen können.

Sie befinden sich zusammen mit dem tiefkalten flüssigen Xenon in einer Art riesiger Thermoskanne, dem Kryostaten. Reinigung und Verflüssigung des Xenon-Gases erfolgen in dem dreistöckigen XENON-Gebäude neben dem großen Wassertank. Im Erdgeschoss steht eine riesige Stahlkugel mit Rohrleitungen und Ventilen. „Dieses ReStoX genannte System kann 7,6 Tonnen Xenon sowohl gasförmig als auch flüssig aufnehmen“, sagt Uwe Oberlack.

„Das ist mehr als die für XENON1T benötigte Menge, aber wir wollen darauf vorbereitet sein, in Zukunft erforderlichenfalls rasch die Empfindlichkeit des Detektors durch eine Erweiterung mit einer größeren Menge Xenon steigern zu können.“

Hoffen auf ein Dunkle-Materie-Signal

„Die Einweihung findet genau zur Fertigstellung des neuen Instruments statt“, freut sich Christian Weinheimer, „und wir sind schon dabei, die Funktion der Komponenten zu testen. In Betrieb ist XENON1T dann das weltweit empfindlichste Experiment zur Suche nach der Dunklen Materie.“ Erste Ergebnisse werden schon im Frühjahr 2016 erwartet, weil XENON1T bereits nach einer Woche Messzeit alle bisherigen Experimente übertreffen wird. Nach 2 Jahren Messzeit wird die Leistungsfähigkeit des Instruments ausgeschöpft sein, wie eine eben veröffentliche Studie ergeben hat. „Natürlich wollen wir Dunkle Materie finden“, sagt Manfred Lindner, „aber selbst wenn wir nach 2 Jahren nur einige Hinweise gefunden haben, sind wir in einer ausgezeichneten Position, weil wir das Instrument schnell auf XENONnT ausbauen können, um auch die letzten Reste des WIMP-Bereichs abzudecken.“ Dafür reicht die bestehende Infrastruktur großenteils aus.


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. Auswahl und Kontrolle von Detektormaterialien mit extrem niedriger Radioaktivität, Entwicklung und Test der Lichtsensoren sowie das Xenon-Target liegen im Verantwortungsbereich des MPIK. Die Gruppe an der Universität Mainz ist für den Myon-Detektor zuständig. Sie ist ferner am innovativen Xenon-Lagersystem ReStoX sowie am inneren Detektor beteiligt. Die Forscher der Universität Münster zeichnen für die Reinigung des Xenons verantwortlich und haben dafür den Reinigungskreislauf und eine einzigartige Tieftemperatur-Destillationsanlage entwickelt. Alle drei Institute werden sich bei der Datennahme und -analyse sowie der Kalibration engagieren.


Kontakt:

Max-Planck-Institut für Kernphysik:
Prof. Dr. Manfred Lindner
Tel.: 06221 516 800
Fax.: 06221 516 802
E-Mail: lindner (at) mpi-hd.mpg.de

Johannes-Gutenberg-Universität Mainz:
Prof. Dr. Uwe Oberlack
Tel.: 06131 3925167
Fax.: 06131 3925169
E-Mail: oberlack (at) uni-mainz.de

Westfälische Wilhelms-Universität Münster:
Prof. Dr. Christian Weinheimer
Tel.: 0251 8334971
Fax.: 0251 8334962
E-Mail: weinheim (at) uni-muenster.de

Weitere Informationen:

http://xenon1t.org/ - Webseiten von XENON1T

Dr. Bernold Feuerstein | Max-Planck-Institut für Kernphysik
Weitere Informationen:
http://www.mpi-hd.mpg.de

Weitere Berichte zu: Kernphysik MPIK Materie Max-Planck-Institut Radioaktivität Xenon

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht 3D-gedruckte Optik
20.11.2019 | Technische Universität Braunschweig

nachricht Eine Fernsteuerung für alles Kleine
19.11.2019 | Technische Universität Wien

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: Kleine Teilchen, große Wirkung: Wie Nanoteilchen aus Graphen die Auflösung von Mikroskopen verbessern

Konventionelle Lichtmikroskope können Strukturen nicht mehr abbilden, wenn diese einen Abstand haben, der kleiner als etwa die Lichtwellenlänge ist. Mit „Super-resolution Microscopy“, entwickelt seit den 80er Jahren, kann man diese Einschränkung jedoch umgehen, indem fluoreszierende Materialien eingesetzt werden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Polymerforschung haben nun entdeckt, dass aus Graphen bestehende Nano-Moleküle genutzt werden können, um diese Mikroskopie-Technik zu verbessern. Diese Nano-Moleküle bieten eine Reihe essentieller Vorteile gegenüber den bisher verwendeten Materialien, die die Mikroskopie-Technik noch vielfältiger einsetzbar machen.

Mikroskopie ist eine wichtige Untersuchungsmethode in der Physik, Biologie, Medizin und vielen anderen Wissenschaften. Sie hat jedoch einen Nachteil: Ihre...

Im Focus: Small particles, big effects: How graphene nanoparticles improve the resolution of microscopes

Conventional light microscopes cannot distinguish structures when they are separated by a distance smaller than, roughly, the wavelength of light. Superresolution microscopy, developed since the 1980s, lifts this limitation, using fluorescent moieties. Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research have now discovered that graphene nano-molecules can be used to improve this microscopy technique. These graphene nano-molecules offer a number of substantial advantages over the materials previously used, making superresolution microscopy even more versatile.

Microscopy is an important investigation method, in physics, biology, medicine, and many other sciences. However, it has one disadvantage: its resolution is...

Im Focus: Mit künstlicher Intelligenz zum besseren Holzprodukt

Der Empa-Wissenschaftler Mark Schubert und sein Team nutzen die vielfältigen Möglichkeiten des maschinellen Lernens für holztechnische Anwendungen. Zusammen mit Swiss Wood Solutions entwickelt Schubert eine digitale Holzauswahl- und Verarbeitungsstrategie unter Verwendung künstlicher Intelligenz.

Holz ist ein Naturprodukt und ein Leichtbauwerkstoff mit exzellenten physikalischen Eigenschaften und daher ein ausgezeichnetes Konstruktionsmaterial – etwa...

Im Focus: Eine Fernsteuerung für alles Kleine

Atome, Moleküle oder sogar lebende Zellen lassen sich mit Lichtstrahlen manipulieren. An der TU Wien entwickelte man eine Methode, die solche „optischen Pinzetten“ revolutionieren soll.

Sie erinnern ein bisschen an den „Traktorstrahl“ aus Star Trek: Spezielle Lichtstrahlen werden heute dafür verwendet, Moleküle oder kleine biologische Partikel...

Im Focus: Atome hüpfen nicht gerne Seil

Nanooptische Fallen sind ein vielversprechender Baustein für Quantentechnologien. Forscher aus Österreich und Deutschland haben nun ein wichtiges Hindernis für deren praktischen Einsatz aus dem Weg geräumt. Sie konnten zeigen, dass eine besondere Form von mechanischen Vibrationen gefangene Teilchen in kürzester Zeit aufheizt und aus der Falle stößt.

Mit der Kontrolle einzelner Atome können Quanteneigenschaften erforscht und für technologische Anwendungen nutzbar gemacht werden. Seit rund zehn Jahren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Chemnitzer Linux-Tage 2020: „Mach es einfach!“

18.11.2019 | Veranstaltungen

Humanoide Roboter in Aktion erleben

18.11.2019 | Veranstaltungen

1. Internationale Konferenz zu Agrophotovoltaik im August 2020

15.11.2019 | Veranstaltungen

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

Kleine Teilchen, große Wirkung: Wie Nanoteilchen aus Graphen die Auflösung von Mikroskopen verbessern

20.11.2019 | Materialwissenschaften

Eisberge als Nährstoffquelle - Führt der Klimawandel zu mehr Eisendüngung im Ozean?

20.11.2019 | Geowissenschaften

Gehen verändert das Sehen

20.11.2019 | Medizin Gesundheit

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