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Suche nach einem Signal der Dunklen Materie
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Physik
astronews.com
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.
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."
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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