An der Universität Münster entwickelte Technik ermöglicht noch empfindlichere Suche nach Dunkler Materie

Bei der Suche nach Dunkler Materie nutzen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der XENON-Kollaboration einen der weltweit empfindlichsten Dunkle-Materie-Detektoren („XENONnT“). Im Gran-Sasso-Labor des Nationalen Instituts für Kernphysik (INFN) in Italien wollen sie damit extrem seltene Teilchenwechselwirkungen nachweisen. Diese könnten Aufschluss über die Natur der Dunklen Materie geben. Das Problem ist jedoch: Winzige Mengen natürlicher Radioaktivität erzeugen Störsignale, die die schwachen Signale überdecken können. Das XENONnT-Experiment hat einen großen Fortschritt erzielt, indem es eine der problematischsten Verunreinigungen deutlich reduziert hat: Radon, ein radioaktives Gas. Zum ersten Mal ist es dem Forschungsteam gelungen, die durch Radon verursachte Radioaktivität des Detektors auf ein Niveau zu bringen, das eine Milliarde Mal niedriger ist als die sehr geringe natürliche Radioaktivität des menschlichen Körpers. Die zugrunde liegende Technik, die das XENONnT-Konsortium in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Physical Review X“ vorstellt, stammt von einem Team um den Teilchenphysiker Prof. Dr. Christian Weinheimer von der Universität Münster.

Das XENONnT-Experiment misst die Wechselwirkungen von hypothetisch vorhergesagten Dunkle-Materie-Teilchen mit Atomen von flüssigem Xenon, einem Edelgas. Der Detektor mit seinen 8,5 Tonnen flüssigen Xenons wird bei rund minus 95 Grad Celsius tief unter der Erdoberfläche betrieben, um Störsignale möglichst auszuschließen. Die besondere Empfindlichkeit des Detektors beruht auf der außergewöhnlichen Reinheit des Xenons, die durch die besondere Konstruktion des Detektors und die Verwendung ultrareiner Materialien erreicht wird. Selbst Spuren von gelöstem Radon und dessen ebenfalls radioaktiven Zerfallsprodukten können jedoch Lichtblitze erzeugen, die den gesuchten Signalen gleichen. Da Radon als Produkt langlebiger Isotope aus der Entstehungszeit unseres Sonnensystems in so gut wie allen Materialien vorkommt, macht es einen erheblichen Teil der natürlichen Strahlenbelastung des Menschen aus.

Um die Menge an Radon noch weiter zu reduzieren, entwickelte das XENONnT-Team ein kryogenes Destillationssystem zur kontinuierlichen Reinigung des Xenons. Dieser Prozess entfernt gezielt Radon und reduziert seine Konzentration in Xenon um den Faktor 4 auf lediglich 430 Radon-Atome pro Tonne flüssigem Xenon, wie von der XENONnT-Gruppe vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg bestimmt wurde. Die durch Radon verursachten Störsignale sind damit etwa so selten wie die äußerst seltenen Störsignale durch die Neutrinos, die aus der Kernfusion im Innern der Sonne stammen und nicht abgeschirmt werden können. Dank der Radon-Entfernung können die Messungen quasi frei von Radioaktivität durchgeführt werden. „Die Technik ebnet den Weg für größere, noch empfindlichere Detektoren wie das geplante, zehnmal größere Flüssigxenon-Observatorium XLZD“, betont Christian Weinheimer. „XENONnT bringt uns der Lösung des Rätsels um die Dunkle Materie einen Schritt näher.“

Förderung

Im Rahmen des vom Europäischen Forschungsrat finanzierten „ERC Advanced Grant“-Projekts „LowRad“ entwickeln Christian Weinheimer und sein Team die Technologie für XLZD weiter, um Radon und Spuren anderer radioaktiver Edelgase in Xenon nochmals signifikant zu reduzieren. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt, vormals Bundesministerium für Bildung und Forschung, sowie das Graduiertenkolleg „Starke und schwache Wechselwirkung – von Hadronen zu Dunkler Materie“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützten den Beitrag des münsterschen Teams zum XENONnT-Projekt.

 

Originalveröffentlichung

Aprile E. et al. (2025): Radon Removal in XENONnT down to the Solar Neutrino Level. Physical Review X 15, 031079; DOI: 10.1103/zc1w-88p6

Links zu dieser Meldung

• Originalveröffentlichung
• Prof. Dr. Christian Weinheimer am Institut für Kernphysik
• Webseite des "Xenon Dark Matter Project"