„Wir hoffen, den größten Teil der Materie im All nachzuweisen“

Ein Gespräch mit Manfred Lindner über die neuesten Ergebnisse des Detektors Xenon100

21. April 2011

Im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor läuft das Experiment Xenon100, mit dem eine internationale Kollaboration unter Beteiligung des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik die mysteriösen Teilchen direkt nachzuweisen sucht. Vor kurzem veröffentlichten die Forscher die Auswertung von hundert Tagen Messzeit. Ergebnis: Ein signifikantes Signal für Dunkle Materie liegt zwar noch nicht vor, aber daraus ergeben sich die weltbesten Einschränkungen für Massen und Wechselwirkungsstärken der WIMPs, die bereits merklich in den vorhergesagten Bereich reichen

Manfred Lindner, Direktor am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg und Leiter von Xenon100

Seit Jahrzehnten mehren sich die Hinweise darauf, dass der Stoff, aus dem alle Sterne, Planeten und auch wir Menschen bestehen, nur knapp fünf Prozent der insgesamt im Universum vorhandenen Materie ausmacht. Die Dunkle Materie steuert 23 Prozent bei, den Löwenanteil stellt die Dunkle Energie mit 72 Prozent. Theoretische und experimentelle Indizien sprechen dafür, dass sie aus noch unbekannten Elementarteilchen besteht, die überall im Universum vorhanden sind. Physiker nennen sie WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), weil sie mit normaler Materie so gut wie keine Wechselwirkung eingehen. Aus diesem Grund haben sich die Teilchen bisher jedem direkten Nachweis entzogen und machen sich lediglich über ihre Schwerkraft in astronomischen Beobachtungen bemerkbar.

Die jüngsten Resultate des Detektors Xenon100 haben Auswirkungen auf die Theorie der Teilchenphysik und die Experimente am Beschleuniger LHC des CERN in Genf. Welche Konsequenzen ergeben sich daraus? Wir sprachen mit Manfred Lindner, dem Leiter von Xenon100 am Max-Planck-Institut für Kernphysik.

Können Sie in knappen Worten beschreiben, wie Xenon100 funktioniert?

Lindner: Der Detektor besteht aus einem Tank, der mit 162 Kilogramm extrem reinem flüssigen Xenon gefüllt ist. Stößt hierin ein WIMP mit einem Atom zusammen, so löst es einen Lichtblitz aus, und es erzeugt gleichzeitig elektrische Ladungen. Wird ein solches Doppelereignis gemessen, ist dies ein Hinweis auf die Existenz eines Dunkle-Materie-Teilchens, dessen Masse sich auch bestimmen ließe. Eine sehr große technische Herausforderung besteht darin, den Detektor vor Störstrahlung – vor allem durch natürliche Radioaktivität – zu schützen. Dafür wurde das Xenon extrem gereinigt und der Detektor mit mehreren Schichten aus unterschiedlichen Materialien gegen äußere Einflüsse abgeschirmt.

Sie haben in ihren Messdaten aus der ersten Hälfte des vergangenen Jahres drei Ereignisse registriert. Könnte es sich dabei um WIMPs handeln?

Die drei Ereignisse stimmen mit unserer Vorhersage für die in hundert Tagen statistisch zu erwartenden Störereignisse überein. Deswegen sagen wir, dass das Ergebnis nur Grenzen für WIMPs liefert. Aktuell läuft der Detektor mit deutlich verbesserter Reinheit. Wir sind daher sehr gespannt, was die Analyse dieser Daten später im Jahr bringen wird.

Was kann man aus diesem Nullresultat schließen?

Wir haben damit den Bereich, in dem es WIMPs geben kann, stark eingeschränkt. Theoretische Vorhersagen legen für diese Teilchen einen wahrscheinlichsten Massenbereich fest, der in der Größenordnung von 100 Gigaelektronenvolt liegt, was etwa der Masse eines Xenon-Atomkerns entspricht. Genau in dieses Gebiet sind wir mit Xenon100 vorgestoßen und haben es stark eingeengt. Der erlaubte Bereich für die WIMPs wird also immer kleiner.

Könnte der LHC die theoretisch vorhergesagten WIMPs jetzt schon nachweisen?

Falle für Dunkle Materie: Zum Schutz vor kosmischer Strahlung befindet sich das Xenon100-Experiment unter 1400 Meter Fels im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor. WIMPs können die Erde durchdringen und erreichen den Detektor, der durch mehrere Schichten aus Wasser, Blei, Plastik und Kupfer gegenüber Radioaktivität aus dem Gestein abgeschirmt ist. Bei der Reaktion eines WIMP im flüssigen Xenon werden Lichtblitze erzeugt, die Photomultiplier (im Bild)

Das sollte mit den kommenden Daten möglich sein, wenn sich die WIMPs in dem vorhergesagten Massenbereich befinden.

Könnten die WIMPs nicht auch viel leichter sein? In dem Bereich unterhalb von zehn Gigaelektronenvolt, was der Masse eines Kohlenstoffatoms entspricht, ist Xenon100 nicht mehr empfindlich.

Im Prinzip ist das nicht ausgeschlossen, aber man verliert dann das sogenannte WIMP-Wunder. Damit bezeichnen wir die Tatsache, dass neue Teilchen, wie sie aus den Unzulänglichkeiten des Standardmodells der Teilchenphysik erforderlich werden, aus dem Urknall automatisch die richtige Menge an Dunkler Materie liefern. Man sieht hier schon, dass wir gewissermaßen ein vielteiliges Puzzle zusammensetzen, und es ist bemerkenswert, wie Indizien aus ganz verschiedenen Bereichen konsistent zusammenpassen. Leichte oder sehr leichte WIMPs passen hier deutlich schlechter ins Gesamtbild. Aber ausschließen kann man sie nicht.

Wie geht es weiter?

Zunächst einmal messen wir mit Xenon100 weiter. Wir konnten bereits den störenden Krypton-Untergrund auf fast ein Zehntel verringern, sodass schon die nächste Messreihe, die wir bis zum Herbst auswerten wollen, noch genauere Ergebnisse liefern wird. Gleichzeitig planen wir für die nächsten Jahre bereits eine vergrößerte Version von Xenon100 namens Xenon1T mit 2,5 Tonnen Xenon.

Bis wann soll Xenon1T fertig sein?

Der Bau soll bis Ende 2014 abgeschlossen sein, und 2015 wollen wir mit den Messungen beginnen. Ein sehr sportlicher Zeitplan, aber für Experimente dieser Größe durchaus realistisch.

Und was ist, wenn Sie auch damit keine WIMPs finden?

Wegen des WIMP-Wunders hoffen wir natürlich, sehr gute Chancen zu haben, ein Signal zu sehen und so den größten Teil der Materie im Universum direkt nachzuweisen. Aber selbst, wenn wir nichts sehen, wäre das höchst interessant, weil damit die Frage, was Dunkle Materie wirklich ist, noch mysteriöser würde.

Interview: Thomas Bührke

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