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Donnerstag, 10. August 2017, Ausgabe Nr. 32

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Teilchenphysik

Dunkler Materie auf der Spur

Von Silvia von der Weiden | 1. Juni 2017 | Ausgabe 22

Der weltweit empfindlichste Detektor für Elementarteilchen befindet sich tief unter dem italienischen Massiv Gran Sasso.

BU Xenon
Foto: XENON Collaboration/LNGS-INFN 

Die Thermoskanne, innen mit 3,2 t flüssigem Xenon auf -95 °C gekühlt, hängt in dem riesigen Tank, der später mit hochreinem Wasser gefüllt wird. Dies soll dazu beitragen, Störsignale beim Nachweis von Dunkler Materie abzufangen.

Nur 5 % beträgt der Anteil der bekannten Materie im Kosmos. Lebewesen, Planeten und Sterne sind daraus aufgebaut. Astronomische Beobachtungen aber legen nahe, dass es im Universum weitaus mehr von einer unbekannten Materieform geben muss, die sich bislang dem direkten Nachweis entzieht. Diese sogenannte Dunkle Materie ist der eigentliche Herrscher im Universum, denn sie hält die Galaxien zusammen.

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Woraus sie besteht, ist eines der größten Rätsel der Physik. Es könnten Elementarteilchen wie das Axion sein (s. Kasten). Manfred Lindner, Direktor am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg: „Wir gehen davon aus, dass pro Sekunde Hunderttausend dieser Teilchen die Fläche eines Daumennagels durchströmen.“ Die Wahrscheinlichkeit, dass sie mit Atomen normaler Materie wechselwirken und so nachweisbare Spuren hinterlassen, müsse aber äußerst gering sein, „sonst hätten wir sie schon gefunden“.

Wie also soll man die Geisterteilchen nachweisen? Dafür hat ein internationales Forscherkonsortium mit deutscher Beteiligung den weltweit empfindlichsten Detektor gebaut: Xenon1T. Das Experiment ist im Innern des italienischen Gran-Sasso-Massivs untergebracht, um den Detektor vor störenden äußeren Einflüssen wie kosmischer Strahlung abzuschirmen. Eine riesige Thermoskanne, gefüllt mit 3,2 t flüssigem, ultrareinen Edelgas Xenon, das auf -95 °C gehalten wird.

Die Thermoskanne steckt in einem Tank mit 750 m³ hochreinem Wasser, was vor radioaktiver Strahlung schützt. Denn die ist überall, auch im Gestein tief unter der Erde. Gleich neben dem Detektor liegt ein dreistöckiges Gebäude, in dem das Xenon-Gas aufbereitet wird: ein Reinraumlabor der Superlative rund 1,5 km tief im Gebirge.

„Um die seltenen Wechselwirkungen von Dunkle-Materie-Teilchen im Detektor zu finden, brauchen wir große Mengen Detektormaterial und eine extrem hohe radioaktive Reinheit, sonst hätten wir keine Chance, die echten Signale unter den Störsignalen zu finden“, sagt Christian Weinheimer, Kernphysiker an der Uni Münster. Eine technische Herausforderung, denn „Objekte völlig ohne Radioaktivität existieren nicht. Winzige Spuren davon sind überall, in Metallen, in den Wänden des Labors und selbst in unserem Körper. Wir setzen alles daran, diese Verunreinigungen so weit wie möglich zu reduzieren.“

Für den Bau des Instruments kamen deshalb nur sorgfältig untersuchte Materialien infrage. Nur so gelang es, das Zentrum von Xenon1T zu einem der reinsten Orte des Universums zu machen. „Dies ist Voraussetzung, die extrem seltenen Signale von Dunkler Materie zu finden“, betont Weinheimer.

Die Forscher messen extrem schwache Licht- und Ladungssignale, aus denen sie den Ort der Wechselwirkung im Detektor rekonstruieren, außerdem die freigesetzte Energie. Den Nachweis übernehmen 248 hochsensible Lichtsensoren, die ebenfalls in der riesigen Thermoskanne untergebracht sind. Sie registrieren jeden durch einzelne Photonen verursachten Lichtblitz.

Genau zwei verräterische Lichtblitze entstehen, wenn eines der Dunkle-Materie-Teilchen vom Detektormaterial eingefangen wird. Den ersten verursacht die Kollision mit einem Xenonatom. Weil dabei ein Ladungsträger frei wird, kommt es unmittelbar zu einem weiteren Signal. Die Auswertungskriterien sind streng. Angerechnet werden nur Ereignisse im Zentrum des Detektors. Das äußere Xenon bildet die zusätzliche Abschirmung gegen Restradioaktivität im Material.

Noch haben die Forscher keine Spur von Dunkler Materie entdeckt, denn sie haben gerade erst den regulären Messbetrieb aufgenommen. Aber sie sind optimistisch: „Mit dem Detektor haben wir eine ausgezeichnete Position im Rennen um die Entdeckung der Dunklen Materie“, ist Kernphysiker Lindner überzeugt.

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