XENON100 setzt neue beste Ausschlussgrenzen für Dunkle Materie

Modelle für "Neue Physik" mit WIMP-Kandidaten stärker eingeschränkt als bisher

18.07.2012

Die Wissenschaftler der XENON-Kollaboration haben ein neues Ergebnis ihrer Suche nach Dunkler Materie veröffentlicht. Die Analyse der Daten von 13 Monaten Laufzeit des XENON100-Detektors ergab keinen Beweis für die Existenz von so genannten WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), den vielversprechendsten Kandidaten für Dunkle Materie. Es wurden 2 Ereignisse beobachtet, die statistisch mit dem einen Ereignis konsistent sind, das aufgrund der Untergrundstrahlung erwartet wird. Verglichen mit den Ergebnissen von 2011 wurde damit die weltbeste Empfindlichkeit um einen Faktor 3,5 weiter verbessert. Das schränkt Modelle für "Neue Physik" mit WIMP-Kandidaten stärker als bisher ein und hilft dabei, künftig gezielter nach WIMPs zu suchen. Eine Veröffentlichung mit den Ergebnissen wird in Kürze bei Physical Review Letters und bei arXiv eingereicht.

Kosmologische Beobachtungen zeichnen in konsistenter Weise ein Bild unseres Universums, in dem die gewöhnliche uns bekannte Materie nur etwa 4% 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 (Weakly Interacting Massive Particles), 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.

2011 hat die XENON-Kollaboration die Ergebnisse von 100 Messtagen veröffentlicht. Die dabei erreichte Empfindlichkeit verschob die Grenzen für 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: die beiden beobachteten Ereignisse sind mit dem einen erwarteten Untergrundereignis statistisch konsistent. Die neuen Daten verbessern die Grenze auf 2.0×10-45 cm2 für elastische Streuung einer WIMP-Masse von 50 GeV, 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. 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 m 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. 

Beteiligung der Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Das XENON-Programm hat zum Ziel, Dunkle Materie direkt im Labor nachzuweisen. Univ.-Prof. Dr. Uwe Oberlack vom Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist eines der Gründungsmitglieder des XENON-Programms zur Suche nach Dunkler Materie. Vor seinem Wechsel an die JGU hat er mit seiner Arbeitsgruppe an der Rice University zum Aufbau von XENON100 beigetragen. Seine Mainzer Gruppe beschäftigt sich nun v.a. mit der Analyse der Daten, der Vorbereitung von XENON1T, dem Aufbau eines Flüssig-Xenon-Labors sowie Entwicklungsarbeiten für zukünftige Dunkle-Materie-Detektoren. Oberlacks Forschung ist auch Bestandteil des Exzellenzclusters PRISMA ("Precision Physics, Fundamental Interactions and Structure of Matter"), der kürzlich als neuer Exzellenzcluster in die Förderung der Bundesexzellenzinitiative aufgenommen wurde.

An der XENON-Kollaboration beteiligt sind Wissenschaftler aus 15 Institutionen in den USA (Columbia University New York, University of California Los Angeles, Rice University Houston, Purdue University), Frankreich (Subatech Nantes), Deutschland (Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg, Johannes Gutenberg Universität Mainz, Westfälische Wilhelms-Universität Münster), Israel (Weizmann Institute of Science), Italien (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Università di Bologna), Niederlande (Nikhef Amsterdam), Portugal (Universidade de Coimbra), Schweiz (Universität Zürich) und China (Shanghai Jiao Tong University).

Außer von den Mitgliedern der Kollaboration wird XENON100 unterstützt von der National Science Foundation und dem Department of Energy in den USA, dem Schweizerischen Nationalfonds, dem l'Institut National de Physique des Particules et de Physique Nucléaire und La Région des Pays de la Loire in Frankreich, der Max-Planck-Gesellschaft und der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem Weizmann Institute of Science, der deutsch-israelischen Minerva Gesellschaft und GIF in Israel, FOM in den Niederlanden, der Fundação para a Ciência e Tecnologia in Portugal, dem Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Italien und STCSM in China.