Seit den 1960er Jahren haben Wissenschaftler angenommen, dass das Universum mit einer mysteriösen, unsichtbaren Masse gefüllt ist. Diese als „dunkle Materie“ bekannte Masse macht schätzungsweise 85% der Materie im Universum und ein Viertel ihrer Energiedichte aus. Während diese Masse indirekt beobachtet und untersucht wurde, sind alle Versuche, ihre wahre Natur zu bestimmen, bisher gescheitert.
Um dies zu beheben, werden mehrere Experimente durchgeführt, die auf immens hoch entwickelten Instrumenten beruhen. Einer von ihnen, XENON genannt, beobachtete kürzlich einen Prozess, bei dem zuvor mehrere Erkennungsversuche vermieden worden waren. Diese Ergebnisse könnten Wissenschaftlern helfen, ihr Verständnis von Neutrinos zu verbessern, aus denen einige Wissenschaftler glauben, dass dunkle Materie besteht.
Die Ergebnisse (XENON1T) wurden im Rahmen einer Studie veröffentlicht, die kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur. XENON ist ein gemeinsames experimentelles Projekt von etwa 160 Wissenschaftlern aus Europa, den USA und dem Nahen Osten. Es wird derzeit von Prof. Elena Aprile von der Columbia University geleitet und vom Gran Sasso National Laboratory (LNGS) in Italien betrieben.
Wie bei anderen Experimenten mit dunkler Materie sollen die Kandidaten für dunkle Materie, die als schwach wechselwirkende massive Partikel (WIMPS) bekannt sind, nachgewiesen werden. Zu diesem Zweck befindet sich die Anlage tief unter der Erde, um Störungen durch andere Neutrinoquellen (einschließlich der von unserer Sonne und kosmischen Neutrinos regelmäßig erzeugten solaren Neutrinos) zu vermeiden.
Im Fall des XENON-Experiments wird dabei eine mit flüssigem Xenon-124 gefüllte Kammer auf Anzeichen von Partikelwechselwirkungen untersucht. Diese Zeichen würden den ersten direkten experimentellen Beweis für Partikelkandidaten der Dunklen Materie liefern. Und während ihre ersten Ergebnisse die Existenz dunkler Materie nicht bestätigten, beobachteten sie zum ersten Mal den Zerfall von Xenon-124-Atomkernen.
Aus einer Reihe von Gründen war dies eine immense Leistung. Abgesehen davon, dass es sich um eine historische Premiere handelt, ist die für Xenon-124 gemessene Halbwertszeit etwa eine Billion Mal länger als das Alter des Universums selbst (13,8 Milliarden Jahre). Dies macht den beobachteten radioaktiven Zerfall - den sogenannten Doppelelektroneneinfang von Xenon-124 - zum seltensten Prozess, der jemals in einem Detektor beobachtet wurde.
Wie Prof. Christian Weinheimer - ein Mitarbeiter der Universität Münster, dessen Gruppe die Studie leitete - in einer XENON-Pressemitteilung erklärte:
"Die Tatsache, dass wir diesen Prozess direkt beobachten konnten, zeigt, wie leistungsfähig unsere Erkennungsmethode tatsächlich ist - auch für Signale, die nicht aus dunkler Materie stammen."
Um diesen Prozess abzubrechen, besteht ein Xenon-124-Atom aus 54 Protonen und 70 Neutronen, die von Atomhüllen mit 54 Elektronen umgeben sind. Bei dem als Doppelelektroneneinfang bekannten Prozess „fangen“ zwei Protonen im Kern gleichzeitig zwei Elektronen aus der innersten Hülle, wandeln sie in zwei Neutronen um und spucken zwei Neutrinos aus.
Die anderen Elektronen organisieren sich dann neu, um die Lücke in der innersten Hülle zu füllen, während Energie in Form von Röntgenstrahlen und sogenannten „Auger-Elektronen“ freigesetzt wird. Diese Signale sind jedoch sehr schwer zu erkennen, da der Prozess sehr selten ist und durch die natürliche Radioaktivität verborgen wird. Trotzdem gelang die XENON-Zusammenarbeit dank der einjährigen Beobachtungen mit ihren Instrumenten.
Die als Ergebnis des Doppelelektroneneinfangs emittierten Röntgenstrahlen erzeugten ein Lichtsignal im flüssigen Xenon sowie freie Elektronen. Diese Elektronen bewegten sich dann in Richtung des gasgefüllten oberen Teils des Detektors, wo sie ein zweites Lichtsignal erzeugten, und die Zeitdifferenz zwischen den beiden entsprach zufällig der Zeit, die die Elektronen benötigen, um die Oberseite des Detektors zu erreichen.
Das Wissenschaftsteam verwendete dieses Intervall und die Sensoren der Kammer, um die Position des Doppelelektroneneinfangs zu rekonstruieren, während die Signalstärke verwendet wurde, um zu messen, wie viel Energie freigesetzt wurde. Dies gab den Wissenschaftlern die Möglichkeit, die unglaublich lange Halbwertszeit von Xenon zu bestimmen, die sie auf 1,8 × 10²² Jahre berechneten.
Diese Ergebnisse demonstrieren effektiv die Fähigkeit der XENON-Detektoren, seltene Prozesse zu erkennen und gleichzeitig Hintergrundsignale zurückzuweisen. Die neuen Ergebnisse könnten auch weitere Untersuchungen zu Neutrinos ermöglichen, die das leichteste aller Elementarteilchen sind und noch nicht vollständig verstanden wurden. Dazu gehört die Masse des Neutrinos, die noch nicht gut eingeschränkt ist.
Als Christ
„Es zeigt, dass diese XENON-Detektortechnologie, die wir für dunkle Materie verwenden, viel vielseitiger ist. Wir bekommen all diese coolen Analysen… kostenlos, nachdem wir ein Experiment erstellt haben, das empfindlich genug ist, um nach dunkler Materie zu suchen. “
Der XENON1T-Beobachtungslauf sammelte zwischen 2016 und Dezember 2018 Daten. Zu diesem Zeitpunkt wurde er für Upgrades abgeschaltet. Sobald diese abgeschlossen sind, beginnt das Wissenschaftsteam mit der Durchführung der nächsten Beobachtungsphase. Diese als „XENONnT“ bekannte Phase weist eine aktive Detektormasse auf, die dreimal so groß ist wie die des ersten Experiments.
Zusammen mit Upgrades zur Reduzierung von Hintergrundstörungen weist der Detektor eine um mehrere Größenordnungen höhere Empfindlichkeit auf. An diesem Punkt können wir erwarten, dass das Experiment die dunklen Bereiche des Universums noch heller beleuchtet.
