Suche nach Partikeln der Dunklen Materie bislang erfolglos

XENON100 kann Modelle über schwach wechselwirkende massereiche Teilchen (WIMPs) nur eingrenzen, die Teilchen selbst aber bisher nicht nachweisen

Messungen des XENON100
Messungen des XENON100

Assergi (Italien) - Wenn Dunkle Materie tatsächlich existiert, könnte sie sich durch so genannte schwach wechselwirkende massereiche Teilchen oder kurz WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) nachweisen lassen. Forscher weltweit sind auf der Suche nach ihnen, um die Theorie der Dunklen Materie zu bestätigen. Im Experiment XENON100 konnten Forscher nach einer Messdauer von 100 Tagen keine Hinweise auf die Existenz solcher Teilchen finden. Damit ist nun eine obere Grenze für die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit eines WIMPs mit normaler Materie gesetzt.

Masse und Dynamik einiger Galaxien lassen sich nicht allein durch die sichtbare Materie erklären. Deshalb sagen Kosmologen eine Dunkle Materie voraus, welche weder sichtbares Licht noch andere elektromagnetische Strahlung aussendet. Den Theorien zufolge soll die uns bekannte Materie lediglich 17 Prozent ausmachen und die bisher unbeobachtete Dunkle Materie die restlichen 83 Prozent. Diese Vorhersage passt zu einer Erweiterung des Standardmodells der Elementarteilchen, welche die Existenz von WIMPs enthält. WIMPs sind schwere Teilchen, die ähnlich schwer sind wie Goldatomkerne und nur schwach mit normaler Materie wechselwirken. Die berechnete Häufigkeit der aus dem Urknall stammenden WIMPs entspricht genau der geforderten Menge an Dunkler Materie.

Teilchen eines vermuteten "WIMP-Windes" in unserer Galaxie könnten gelegentlich an einem Atomkern in einem Detektor auf der Erde streuen und dabei Energie freisetzen. Das XENON100-Experiment nutzt als Wechselwirkungsmedium 62 Kilogramm flüssiges Xenon. In der letzten Messreihe des XENON100-Experiments wurden drei Ereignisse gefunden, die einem WIMP-Signal entsprechen. Allerdings wurden zwei zufällige Hintergrundereignisse erwartet, deshalb kann das Ergebnis statistisch nicht als Nachweis für Dunkle Materie gedeutet werden.

Das flüssige Xenon befindet sich in einem gegen radioaktive Strahlung abgeschirmten Edelstahl-Kryostaten, in dem es auf einer Temperatur von minus 90 Grad Celsius gehalten wird. Träfe nun ein WIMP auf ein Xenonatom, so würde dieses ionisiert. Durch Folgeprozesse entstehen zwei Lichtsignale, aus denen die Forscher Position und Energie des WIMP-Ereignisses bestimmen können.

Das gesamte Experiment befindet sich in einem Labor 1400 Meter unter der Erde und ist durch eine dicke Felsschicht vor der störenden kosmischen Strahlung geschützt. Im Vergleich zu anderen Experimenten, die ebenfalls nach Dunkler Materie fahnden, besitzt XENON100 die bisher höchste Empfindlichkeit. Ein bereits geplanter Detektor der nächsten Generation, XENON1T, soll 1000 Kilogramm flüssiges Xenon enthalten und hundertmal empfindlicher sein als XENON100.