Im Universum muss es fünfmal mehr Dunkle Materie als die uns bekannte sichtbare Materie geben. Es ist aber immer noch unbekannt, woraus diese Dunkle Materie besteht. Anfang November 2015 hat ein internationales Wissenschaftlerteam im Gran-Sasso-Untergrundlabor in Italien das XENON1T-Instrument eingeweiht, das bei der Suche nach Dunkler Materie ein neues Kapitel aufschlägt.

Dunkle Materie ist ein wesentlicher Bestandteil des Universums, und seit Jahrzehnten wird mit Laborexperimenten danach gesucht. Allerdings konnte bis heute Dunkle Materie nur indirekt beobachtet werden, nämlich über ihre Schwerkraft, die alle Bewegungen von Sternen und Galaxien dominiert. Die Indizien deuten darauf hin, dass Dunkle Materie aus einer unbekannten Art von stabilen Elementarteilchen, sogenannten WIMPs besteht, die sich bisher der Beobachtung entzogen haben. WIMPs wären Geisterteilchen ähnlich wie Neutrinos, die ursprünglich auch auf Grund von Indizien postuliert wurden. „Wir gehen davon aus, dass etwa Hunderttausend Dunkle-Materie-Teilchen pro Sekunde die Fläche eines Daumennagels durchströmen“, sagt Prof. Manfred Lindner, Direktor am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg. „Die Wahrscheinlichkeit, dass sie mit den Atomen in unserem Detektor wechselwirken, muss aber äußerst gering sein – sonst hätten wir sie schon gefunden. Der Bereich, in dem WIMPs sichtbar werden sollten, wurde bisher aber auch noch nicht umfassend abgesucht. Deshalb brauchen wir XENON1T, ein viel empfindlicheres Instrument, welches tief in den Bereich vordringt, in dem die seltenen Signale erwartet werden.“ Der Detektor wurde von der internationalen XENON-Kollaboration gebaut, der 21 Forschungsgruppen aus den USA, Deutschland, Italien, der Schweiz, Portugal, Frankreich, den Niederlanden, Schweden, Israel und Abu Dhabi angehören, und die im November 2015 die Einweihung ihres neuen XENON1T-Instruments gefeiert hat.
Die Feier mit Vertretern der geldgebenden Institutionen und Journalisten fand in den Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italien, einem der größten Untergrundlabors der Welt, statt. Etwa 80 Gäste versammelten sich zur Zeremonie in der 110 m langen, 15 m breiten und 15 m hohen Halle B des LNGS direkt beim XENON1T-Instrument.
„Unser Detektor befindet sich unter 1.400 m Gestein, um ihn vor der kosmischen Strahlung zu schützen“, erklärt Prof. Uwe Oberlack von der Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz den Standort des Instruments. „Selbst in solcher Tiefe benötigen wir noch einen das Experiment umgebenden Schutz aus 750 m3 hochreinem Wasser, der verbleibende kosmische Strahlung durch winzige Lichtblitze anzeigt und umgebende Radioaktivität abschirmt.“ Bei der vorausgehenden Einführungsveranstaltung im Hörsaal des LNGS mit weiteren Gästen wurden in Vorträgen die physikalische Motivation und Strategie des Projekts und der Aufbau des Detektors vorgestellt.

Kampf gegen kleinste Mengen an Umweltradioaktivität
Als Detektor für Dunkle Materie verwendet ­XENON1T 3,5 t des Edelgases Xenon als ultrareine Flüssigkeit bei -95 °C. „Um die seltenen Wechselwirkungen von Dunkle-Materie-Teilchen im Detektor zu finden, brauchen wir eine große Menge Detektormaterial und eine extrem hohe radioaktive Reinheit“, erläutert Prof. Christian Weinheimer von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, „sonst hätten wir keine Chance, die echten Signale unter den Störsignalen zu finden.“ Deshalb haben die XENON-Wissenschaftler alle Materialien zum Bau des Instruments sorgfältig auf ihren Gehalt an radioaktiven Verunreinigungen untersucht und die reinsten ausgewählt. Er fügt hinzu: „Objekte völlig ohne Radioaktivität existieren nicht; winzige Spuren von Radioaktivität sind überall vorhanden, in Metallen, in den Wänden des Labors und selbst in unserem Körper. Wir setzen alles daran, diese radioaktiven Verunreinigungen so weit wie möglich zu reduzieren.“
Die XENON-Forscher messen extrem schwache Licht- und Ladungssignale, aus denen sie den Ort der Wechselwirkung im Detektor rekonstruieren, außerdem die freigesetzte Energie. Nur Signale aus der innersten 1 Tonne des flüssigen Xenons werden als möglicherweise von Dunkle-Materie-Teilchen verursacht angesehen. Das Licht wird von 248 Lichtsensoren regis­triert, die so empfindlich sind, dass sie einzelne Photonen nachweisen können. Sie befinden sich zusammen mit dem tiefkalten flüssigen Xenon in einer Art riesiger Thermoskanne, dem Kryostaten. Reinigung und Verflüssigung des Xenon-­Gases erfolgen in dem dreistöckigen XENON-Gebäude neben dem großen Wassertank. Im Erdgeschoss steht eine riesige Stahlkugel mit Rohrleitungen und Ventilen. „Dieses ReStoX genannte System kann 7,6 t Xenon sowohl gasförmig als auch flüssig aufnehmen“, sagt Uwe Oberlack. „Das ist mehr als die für XENON1T benötigte Menge, aber wir wollen darauf vorbereitet sein, in Zukunft erforderlichenfalls rasch die Empfindlichkeit des Detektors durch eine Erweiterung mit einer größeren Menge Xenon steigern zu können.“

Hoffen auf ein Dunkle-Materie-Signal
„Die Einweihung findet genau zur Fertigstellung des neuen Instruments statt“, freut sich Christian­ Weinheimer, „und wir sind schon dabei, die Funktion der Komponenten zu testen. In Betrieb ist XENON1T dann das weltweit empfindlichste Experiment zur Suche nach der Dunklen Materie.“ Erste Ergebnisse werden schon im Frühjahr 2016 erwartet, weil XENON1T bereits nach einer Woche Messzeit alle bisherigen Experimente übertreffen wird. Nach 2 Jahren Messzeit wird die Leistungsfähigkeit des Instruments ausgeschöpft sein, wie eine eben veröffentliche Studie ergeben hat. „Natürlich wollen wir Dunkle Materie finden“, sagt Manfred Lindner, „aber selbst wenn wir nach 2 Jahren nur einige Hinweise gefunden haben, sind wir in einer ausgezeichneten Position, weil wir das Instrument schnell auf XENONnT ausbauen können, um auch die letzten Reste des WIMP-Bereichs abzudecken.“ Dafür reicht die bestehende Infrastruktur großenteils aus.
An der internationalen XENON-Kollaboration sind aus Deutschland das Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg, die Johannes-Gutenberg-Universität Mainz und die Westfälische Wilhelms-Universität Münster beteiligt. Auswahl und Kontrolle von Detektormaterialien mit extrem niedriger Radioaktivität, Entwicklung und Test der Lichtsensoren sowie das Xenon-Target liegen im Verantwortungsbereich des MPIK. Die Gruppe an der Universität Mainz ist für den Myon-Detektor zuständig. Sie ist ferner am innovativen Xenon-Lagersystem ReStoX sowie am inneren Detektor beteiligt. Die Forscher der Universität Münster zeichnen für die Reinigung des Xenons verantwortlich und haben dafür den Reinigungskreislauf und eine einzigartige Tieftemperatur-Destillationsanlage entwickelt. Alle drei Institute werden sich bei der Datennahme und -analyse sowie der Kalibration engagieren

Weitere Informationen zum XENON1T Projekt unter: www.XENON1T.org.