Dunkle Materie

Ein neuer Detektor für dunkle Materie

Die Existenz der dunklen Materie im Universum ist unbestritten. Trotzdem weiss man noch sehr wenig über sie. Letzten Mittwoch ist im italienischen Gran Sasso Untergrundlabor der neue XENON1T-Detektor eingeweiht worden. Damit sollen die Teilchen der dunklen Materie sichtbar gemacht werden. UZH-Physikprofessorin Laura Baudis ist mit ihrer Gruppe massgeblich an Entwicklung und Bau des Detektors beteiligt.

Lena Serck-Hanssen

Montage des XENON1T-Detektors: Rund 250 Photosensoren sollen Photonen registrieren, die bei einer Kollision der dunklen Materie mit Xenon-Atomen frei werden. (Bild: zVg)

Was wir sehen, ist längst nicht alles. Neben der für uns sichtbaren Materie muss es noch etwas anderes, eine für uns unsichtbare dunkle Materie geben. Anders lässt sich nicht erklären, dass sich die aufgrund der sichtbaren Materie erwartete Rotationskurve der Milchstrasse von der tatsächlich beobachteten unterscheidet. Doch trotz intensiven Forschens ist es bisher nicht gelungen, die dunkle Materie direkt nachzuweisen. Bisher konnte sie nur indirekt durch ihre Gravitationskraft beobachtet werden.

Vor kosmischer Strahlung geschützt

Einen wesentlichen Schritt auf dem Weg zum möglichen Ziel eines direkten Nachweises stellt der neue XENON1T-Detektor dar. Eine internationale Kollaboration von 21 Forschungsgruppen mit Beteiligung von Forschenden der Universitäten Zürich und Bern hat das Projekt gestartet. UZH-Physikprofessorin Laura Baudis war an der Entwicklung und am Bau des weltweit sensitivsten Detektors für die Suche nach dunkler Materie massgeblich beteiligt.

Am vergangenen Mittwoch ist XENON1T in Italien eingeweiht worden. In einer riesigen Halle tief im italienischen Untergrundlabor Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), von 1400m Gestein vor störender kosmischer Strahlung geschützt, steht der Detektor  in einem riesigen Wassertank, der ihn zusätzlich vor radioaktiver Strahlung abschirmt. Die XENON-Forscher haben auch alle Materialien des Detektors sorgfältig ausgewählt und so sichergestellt, dass die Verunreinigung mit radioaktiven Isotopen so gering wie möglich ist.

Wie der Name schon verrät, ist XENON1T mit dem ultra-reinen Edelgas Xenon gefüllt. Anders als seine kleinen Brüder, XENON10 und XENON100, ist XENON1T ein Schwergewicht und fasst 3.5 Tonnen Xenon. Dieses ist auf -95°C gekühlt, womit es in flüssiger Form vorliegt. Flüssig soll das Xenon deshalb sein, weil es in diesem Zustand dichter ist und so mehr Atome für eine mögliche Interaktion mit dunkle Materie-Teilchen zur Verfügung stehen.

Experimentierhalle in Gran Sasso: Der XENON1T-Detektor befindet sich im Wassertank (links). Rechts können Besucher den Forschenden durch die Glasfront bei der Arbeit zusehen. (Bild: zVg)

Geheimnisvolle Schwächlinge

WIMP ist der Arbeitsname dieser dunkle-Materie-Teilchen und steht für «weakly interacting massive particles». Der Name ist aufgrund der äusserst schwachen Interaktion mit normaler Materie auch eine Anspielung auf die englische Bedeutung Schwächling. Aufgrund der Verteilung der WIMPs als Kugeln um die Galaxien, sogenannte Halos, kann man abschätzen, wie gross der Fluss von WIMPs auf der Erde ist.  Durch kosmologische Präzisionsbeobachtungen weiss man, dass es fünfmal mehr dunkle als normale Materie gibt. So um- und durchströmen pro Sekunde etwa 100‘000 WIMPs pro Quadratzentimeter die sichtbare Materie.

Obwohl wir also vermutlich von einer unermesslich grossen Menge von WIMPs umgeben sind, interagieren diese Teilchen nur äusserst selten mit der normalen Materie. Dies ist auch der Grund, weshalb der XENON1T-Detektor so minutiös gegen natürlich vorkommende radioaktive und kosmische Strahlung abgeschirmt wird. Gegenüber den Milliarden von anderen Reaktionen und Interaktionen, die ständig auf der Erdoberfläche durch das Eintreffen von kosmischer Strahlung oder radioaktiven Zerfallsprozessen ablaufen, wäre es schlicht unmöglich, die seltenen Interaktionen von WIMPs mit normaler Materie mit einem Messgerät herauszufiltern.

Laura Baudis: Die UZH-Physikprofessorin war an der Entwicklung und am Bau des weltweit sensitivsten Detektors für die Suche nach dunkler Materie massgeblich beteiligt. (Bild: UZH)

Zeitprojektionskammer

Innerhalb der internationalen Kooperation, die aus 21 Forschungsgruppen besteht, war die Gruppe von Laura Baudis an der Entwicklung und dem Bau der Zeitprojektionskammer im XENON1T-Detektor führend beteiligt. Das Innere dieser Kammer besteht aus Teflon, welches eine äusserst geringe radioaktive Verunreinigung aufweist. Ausserdem reflektiert es sehr gut das Licht, welches durch Szintillation bei der Wechselwirkung von Teilchen in flüssigem Xenon entsteht. In der Kammer ist ein extrem homogenes elektrisches Feld angelegt, damit allfällige Elektronen, die bei einer Interaktion frei werden, gut nachweisbar sind. Oben und unten sind rund 250 Photosensoren angebracht. Diese sollen die wenigen Photonen registrieren, die bei einer Kollision eines WIMP mit Xenon-Atomen frei werden.

In den nächsten Monaten wird XENON1T mit Xenon gefüllt und die Messungen können beginnen. Rund um die Uhr wird XENON1T überwacht und von den Wissenschaftlern gewartet. Wie lange das Warten auf ein Lichtsignal wird, weiss niemand. Doch ein Nachweis von WIMPs wäre ein Durchbruch und ein Aufbruch zugleich. Denn dann ginge es darum, die Eigenschaften der dunkle-Materie-Teilchen zu bestimmen und deren Bedeutung für die Entstehung der Milchstrasse zu klären.

Detektor-Nachfolger schon in Planung

Auch wenn es mit XENON1T nicht gelingen sollte, die Teilchen der dunklen Materie nachzuweisen, so ist Laura Baudis zuversichtlich: «Wir sind schon daran, einen noch besseren Detektor vorzubereiten.» Die grosse Schwester mit Namen XENONnT soll aufgrund der grösseren Füllmenge mit Xenon die Wahrscheinlichkeit für eine WIMP-Interaktion erhöhen. Ausserdem soll der Detektor noch mehr vor störenden Einflüssen geschützt werden. Daher könnte auch ein erstes Signal, das mit XENON1T beobachtet wird, mit einer grösseren statistischen Signifikanz gemessen werden.

Die XENON-Geschwister und ihre Eltern, so scheint es, geben nicht so schnell auf, bis das dunkle Materie-Teilchen gefunden ist.

Lena Serck-Hanssen ist diplomierte Naturwissenschaftlerin ETH/CAS PR-Redaktorin.

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