Suchbereich für Dunkle-Materie-Teilchen weiter eingeschränkt

22. Juli 2012, 18:13
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Nach 13-monatiger Laufzeit eines massiv abgeschirmten Detektors fand sich kein Hinweis auf sogenannte WIMPs

Sterne in den äußeren Bereich von Galaxien bewegen sich mit Geschwindigkeiten um die galaktischen Zentren, die sich mit den altbewährten Keplerschen Gesetzen nicht beschreiben lassen. Um diese - und einige andere - Ungereimtheiten zu erklären, nehmen Astrophysiker an, dass wesentlich mehr Masse in den Galaxien vorhanden sein muss als sich direkt beobachten lässt. Woraus diese Dunkle Materie bestehen könnte, darüber gibt es mehrere Theorien. Die vielversprechendste geht von der Existenz sogenannter WIMPs aus; die Abkürzung steht für Weakly Interacting Massive Particles, also schwach wechselwirkende massereiche Teilchen. Eine internationale Forschergruppe hat nach 13-monatiger Suche nach diesen WIMPs mit Hilfe des XENON100-Detektors in Italien nun ein Ergebnis vorgelegt, wenn auch ein vordergründig enttäuschendes: Die Wissenschafter konnten keinen Beweis für das Vorhandensein von WIMPs finden.

Kosmologische Beobachtungen zeichnen in konsistenter Weise ein Bild unseres Universums, in dem die gewöhnliche uns bekannte Materie nur etwa 4 Prozent ausmacht, während die bislang unbeobachteten Formen - Dunkle Materie und Dunkle Energie - den Rest beitragen. Dies entspricht den Erwartungen aus der Physik der allerkleinsten Bereiche des Mikrokosmos, wonach Erweiterungen des Standardmodells der Elementarteilchen die Existenz neuer exotischer Teilchen vorhersagen, welche perfekte Kandidaten für Dunkle Materie sind: WIMPs, also schwere Teilchen, die nur schwach wechselwirken und somit sowohl durch Kosmologie als auch Teilchenphysik motiviert sind. Die Suche danach ist also wohl begründet und ihre Entdeckung würde dieses neue Bild des Universums bestätigen.

Eingeschränkter Suchbereich

2011 hat die XENON-Kollaboration die Ergebnisse von 100 Messtagen veröffentlicht. Die dabei erreichte Empfindlichkeit verschob die Grenzen für den Suchbereich nach WIMPs schon um einen Faktor 5-10 im Vergleich zu den früheren Messungen mit XENON10. Die neue Serie umfasst die Daten von insgesamt 225 Tagen in den Jahren 2011 und 2012 mit niedrigerem Untergrund und verbesserter Empfindlichkeit.

Aber es wurde wieder kein Signal gefunden: zwei beobachtete Ereignisse sind mit dem einen erwarteten Untergrundereignis statistisch konsistent. Die neuen Daten verbessern die Grenze auf 2.0 x 10-45 Quadratzentimeter für elastische Streuung einer WIMP-Masse von 50 Giga-Elektronenvolt, also um einen weiteren Faktor 3,5 und dringen bereits signifikant in die erwartete WIMP-Parameterregion ein. Weitere Messungen mit XENON100 und mit dem Nachfolgeexperiment XENON1T, das bereits in Bau ist, sollten entweder Beweise für WIMPs finden oder es müssen andere Formen von Dunkler Materie in Betracht gezogen werden. Eine Veröffentlichung mit den Ergebnissen wird in Kürze bei "Physical Review Letters" und bei "arXiv" eingereicht.

Massiv abgeschirmtes Xenon

Das XENON100-Experiment nutzt als WIMP-Target 62 kg flüssiges, ultrareines Xenon und misst die winzigen Ladungs- und Lichtsignale, die bei den seltenen Kollisionen von WIMPs mit Xenon-Atomkernen erwartet werden. Untergebracht ist das Experiment im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor (LNGS), wo 1400 Meter Fels die störende kosmische Strahlung abschirmen. Um falsche Signale aufgrund der restlichen Radioaktivität in der Umgebung des Detektors auszuschließen, werden nur Ereignisse in den inneren 34 kg des flüssigen Xenons als mögliche Signale gewertet. Zusätzlich ist der Detektor durch Schichten von Kupfer, Polyethylen, Blei und Wasser abgeschirmt, wodurch der Untergrund weiter reduziert wird. (red, derstandard.at, 22.7.2012)

  • Der XENON100-Detektor ohne die zusätzliche Abschirmung. Die empfindlichen Lichtsensoren sind oben zu sehen.
    foto: xenon-kollaboration - f. arneodo

    Der XENON100-Detektor ohne die zusätzliche Abschirmung. Die empfindlichen Lichtsensoren sind oben zu sehen.

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