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GRAN SASSO
Suche nach einem Signal der Dunklen Materie
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Physik
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15. Februar 2021

Bisher blieb es allen Experimenten verwehrt, die rätselhafte Dunkle Materie nachzuweisen. Mit einer Ausnahme: Das DAMA-Experiment liefert seit mehr als 20 Jahren zuverlässig Signale. Doch bislang konnte dieses Ergebnis nicht mit anderen Versuchen verifiziert werden. Mit dem neuen COSINUS-Experiment im Gran-Sasso-Untergrundlabor soll sich dies nun ändern.

COSINUS

3D-Konstruktionszeichnung von COSINUS im Gran-Sasso-Untergrundlabor (LNGS). Bild: Giaffoni / di Sabatini / Stadler / COSINUS Collaboration   [Großansicht]

Die Ergebnisse aus dem DAMA-Experiment sind in der Tat faszinierend, entsprechen sie doch genau den Erwartungen der Physik: "Dunkle Materie umgibt das Zentrum unserer Galaxie wie eine Wolke", erklärt Karoline Schäffner, Leiterin der COSINUS-Gruppe am Max-Planck-Institut für Physik (MPP). "Da unser Sonnensystem um diesen Mittelpunkt kreist und die Erde um die Sonne, sollte der Beschuss durch Dunkle-Materie-Teilchen über das Jahr hinweg schwanken – mit einem Höhepunkt im Juni."

Exakt diese Variation hat DAMA beobachtet. Andere Experimente konnten das Resultat allerdings bisher nicht bestätigen. Mit COSINUS startet ein Forschungsteam jetzt einen neuen Anlauf. Die Idee stammt von Karoline Schäffner und Florian Reindl vom Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (HEPHY) und der TU in Wien, der das Projekt als Sprecher leitet: "Wie DAMA werden wir Detektoren aus Natriumiodid einsetzen – diese aber mit einem zweiten Nachweiskanal kombinieren."

Der Ansatz von COSINUS ist, Kristalle aus Natriumiodid bei extrem tiefen Temperaturen zu betreiben. Ein Dunkle-Materie-Teilchen würde beim Aufprall auf den Detektor zwei Spuren hinterlassen: einen kurzen Lichtblitz und eine winzige Temperaturerhöhung, die sich mit einem speziellen Thermometer messen lässt. "Anhand der Kombination von Temperatur- und Lichtmessung können wir Dunkle Materie eindeutig von anderen Teilchen unterscheiden", so Schäffner. "Der Temperatursensor ist einzigartig und bestens erprobt: Kolleginnen und Kollegen am MPP haben ihn ursprünglich für das Dunkle-Materie-Experiment CRESST entworfen. Inzwischen wird er für beide Experimente dort gefertigt."

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Von 2016 bis 2019 entwickelte und testete die Gruppe um Schäffner und Reindl kryogene Natriumiodid-Detektoren. Dabei wiesen sie nach, dass sich das Material für den Einsatz bei Tiefsttemperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt (-273 Grad Celsius) eignet, was bisher keinem anderen Team gelungen war.

Ende Dezember 2020 hat COSINUS grünes Licht von der wissenschaftlichen Leitung der Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) erhalten. Das Labor befindet sich in einem verzweigten Tunnelsystem im Gran Sasso, 1500 Meter tief unter dem Berg. Dort ist es vor kosmischer Strahlung geschützt, die die empfindlichen Messungen beeinträchtigen würde. Ab Mitte März 2021 beginnt der Aufbau des Experiments, 2022 starten die ersten Messungen. Ergebnisse erwarten das Team im Jahr 2023.

COSINUS besteht aus einem Wassertank von sieben Meter Höhe und Durchmesser. Er schützt die Detektoren, die sich im Inneren des Tanks befinden, vor natürlicher Radioaktivität. Oberhalb dieses Aufbaus wird ein Reinraum eingerichtet, in dem die Detektoren vorbereitet und ins Experiment eingebaut werden. Die technische Planung liegt in den Händen der Konstruktionsabteilung des MPP. Unterstützung erhält dieses Team von weiteren Ingenieurinnen und Ingenieuren und dem LNGS.

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siehe auch
XENON100: Kein Signal der Dunklen Materie - 21. August 2015
Links im WWW
Max-Planck-Institut für Physik
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