Finetuning von Dunkle Materie-Detektoren
Hochempfindliches Cresst-Experiment stimmt sich ein auf die Messung von Dunkler Materie
Das Cresst-Experiment hat sich auf die Suche nach leichten Teilchen der Dunklen Materie spezialisiert, die leichter als das Energieäquivalent von 1 Gigaelektronenvolt sind. Um die winzige Energie, die von diesen Teilchen freigesetzt wird, in den Detektoren zuverlässig zu messen, müssen diese sehr genau eingestellt werden. Die an Cresst beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzen dafür erfolgreich eine neue Kalibrierungsmethode.
Der Nachweis Dunkler Materie-Teilchen ist eine Herausforderung: Theoretischen Modellen zufolge nach würden diese Teilchen extrem selten und dann auch nur sehr schwach mit bekannter Materie wechselwirken. Und genau diese Ereignisse muss ein Detektor aufspüren können. Die Funktionsweise der Cresst-Detektoren basiert auf einem raffinierten Konzept: Ein etwa 2-Zentimeter großer Kristallwürfel aus Kalzium-Wolframat (CaWO4), der mit zwei Sensoren für Temperatur und Licht ausgestattet ist.
Der Schlüssel zum Nachweis Dunkler Materie: supraleitende Materialien
Trifft ein Dunkles Materie-Teilchen auf eines der Atome im Kristall, werden Wärmeenergie und Licht freigesetzt. Beide Signale lassen sich mithilfe von sogenannten Transition-Edge Sensoren messen, die über supraleitende Eigenschaften verfügen. In manchen Materialen gibt es unterhalb einer bestimmten Temperatur keinen elektrischen Widerstand und es fließt ungehindert Strom. Steigt die Temperatur durch eine Kollision plötzlich an, erhöht sich der Widerstand – und dieser Unterschied lässt sich messen.
Die Herausforderung: Wechselwirkungen zwischen leichten Teilchen der Dunklen Materie setzen winzige Energien im Bereich von 10 Elektronenvolt in den Detektoren frei. „Um die Eigenschaften der Dunklen Materie zu untersuchen, müssen wir diese Energien präzise messen“, erklärt Federica Petricca, Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für Physik und Sprecherin des Cresst-Experiments. „Dafür ist es erforderlich, die möglichen Reaktionen zu kennen, das heißt die Detektoren exakt einzustellen.“
Neue Methode basiert auf Neutronenfang
Bisher verwendeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dafür Quellen von Gammastrahlung, bei denen Aufprallenergie und das zugehörige Lichtsignal bekannt sind. Allerdings sind die typischerweise freigesetzten Energiequanten inzwischen zu groß für die empfindlichen Cresst-Detektoren.
Eine neue Methode, die jetzt erfolgreich in Cresst zum Einsatz kommt, geht einen grundsätzlich anderen Weg: Sie nutzt eine Neutronenquelle. Wenn Wolframkerne im Kristall ein Neutron einfangen, entstehen instabile Kerne. Einige dieser Kerne kehren in einen stabilen Zustand zurück und senden dabei ein sehr energiereiches Gammateilchen aus. „Dieses entkommt zwar den Detektoren, aber die ‚Absender‘-Kerne prallen zurück, wie wenn sie mit einem Teilchen aus Dunkler Materie kollidieren würden“, sagt Federica Petricca. „Dabei wird eine geringe Energiemenge frei, die wir kennen – und zur Kalibrierung unsere Sensoren nutzen können.“
„In den letzten Jahren haben wir hochempfindliche Detektoren für sehr leichte Dunkle-Materie-Teilchen entwickelt“, so Federica Petricca weiter. „Das genaue Verständnis der Detektorreaktion bei diesen extrem niedrigen Energien ist die einzige Möglichkeit, ihr Potenzial voll auszuschöpfen.“
