Den WIMPs auf der Spur

Neue, im Untergrundlabor im italienischen Gran Sasso gewonnene Daten verraten die Spur der WIMPs. Dies könnte ihr baldiger Nachweis möglich machen und begründet die Hoffnung, eines der fundamentalsten Rätsel der Physik zu lösen. Denn das sogenannte XENON100-Experiment gibt Aufschluss über die Dunkle Materie. Die Universität Zürich ist führend am Experiment wie auch am Bau des zugehörigen XENON100-Detektors beteiligt.

Laura Baudis, Physikerin der Universität Zürich, und ihre Gruppe sind führend an diesen Experimenten beteiligt, deren Ziel der Nachweis Dunkler Materie ist. Dunkle Materie ist eine unsichtbare aber zugleich wesentliche Komponente des Universums, die über achtzig Prozent aller Materie ausmacht.

Bisher wurde Dunkle Materie nur indirekt nachgewiesen, über ihre Anziehungskraft auf sichtbare Materie. Die Forschung geht davon aus, dass die Dunkle Materie aus WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) besteht, Teilchen, die beim Urknall entstanden sind. Und diese WIMPs könnten bei einer Kollision mit Atomkernen auf direkte Weise nachgewiesen werden.

Mittels des unterirdischen XENON100-Detektors soll dieser Nachweis von WIMPs nun gelingen. Untergebracht ist der Detektor im Untergrundlabor im italienischen Gran Sasso, wo 1400 Meter Fels das Experiment unter anderem vor störender kosmischer Strahlung abschirmen.

Jetzt liegt die Auswertung von Daten vor, welche während hundert Tagen mit einer bisher unerreichten Sensitivität gemessen wurden. «Hinweise für die Existenz von WIMPs liefern diese Daten zwar noch keine», fasst Laura Baudis die Ergebnisse zusammen. «Aber sie grenzen den Bereich für die künftige Suche ein, d.h.: Wusste man bisher nicht, wo suchen, kann jetzt der Bereich der Suche klar definiert werden. Ausserdem lassen sich aus diesen Daten die bisher stärksten Einschränkungen für Modelle der Teilchenphysik ableiten.»

Signale erkennen dank hervorragender Sensitivität

Kennzeichnend für das XENON100-Experiment ist dessen Sensitivität den Signalen gegenüber: Bedingt durch den im Vergleich mit allen anderen Experimenten zur Suche nach Dunkler Materie niedrigsten Strahlungsuntergrund ist diese bei XENON100 substantiell höher. Und gemäss theoretischen Erwartungen könnte genau dies zu einem baldigen Nachweis von WIMPs führen.

Der XENON100-Detektor misst in gut 60 kg flüssigem Xenon kleinste Licht- und Ladungssignale, welche durch seltene Kollisionen zwischen WIMPs und Xenon-Atomen stattfinden. Noch in diesem Jahr wird XENON100 weiter Daten sammeln, und gleichzeitig werden Pläne für einen wesentlich grösseren Nachfolgedetektor verfolgt. Für die nahe Zukunft folgert Laura Baudis: «Die kommenden Jahre werden spannend, denn es gibt berechtigte Hoffnung, eines der fundamentalsten Rätsel der Physik lösen zu können. Und dabei findet gleichsam auch eine Begegnung von Kosmologie und Teilchenphysik statt. Denn: Die direkte Beobachtung von WIMPs würde durch die damit einhergehende Manifestation von Dunkler Materie einen unmittelbaren Zusammenhang zwischen den grössten Strukturen im Kosmos und der subatomaren Welt herstellen.»

Die UZH und die XENON-Kollaboration

An der XENON-Kollaboration sind 60 Wissenschaftler und 14 Institutionen aus den USA (Columbia University New York, University of California Los Angeles, Rice University Houston), China (Jiao Tong University Shanghai), Frankreich (Subatech Nantes), Deutschland (Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg, Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, Willhelms-Universität Münster), Israel (Weizmann Institute of Science), Italien (Laboratori Nazionali del Gran Sasso, INFN e Università di Bologna), Niederlande (Nikhef Amsterdam), Portugal (Universidade de Coimbra) und der Schweiz (Universität Zürich) beteiligt.

Die Gruppe der Universität Zürich unter der Leitung von Prof. Laura Baudis hat eine führende Beteiligung am XENON100-Experiment. Sie ist verantwortlich für die Eichung und das Monitoring der Stabilität der 242 Lichtsensoren, für die Eichung des Experimentes mit radioaktiven Quellen, für die Untergrunduntersuchungen via Monte-Carlo-Simulationen und die Materialselektion bezüglich der niedrigen Radioaktivität, für die Elektronik und das Auslesesystem und für die Datenanalyse; darüber hinaus war sie auch massgeblich am Aufbau des Detektors und an dessen Abschirmung am Gran-Sasso-Untergrundlabor beteiligt.