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XENON Dark Matter Project 42 420566 13 516424 Koordinaten 42 25 14 N 13 30 59 1 O Das ist ein Experiment zur Suche nach

XENON Dark Matter Project

Koordinaten: 42° 25′ 14″ N, 13° 30′ 59,1″ O Das XENON Dark Matter Project ist ein Experiment zur Suche nach WIMPs, einer Variante der Dunklen Materie. Das Experiment ist im Gran-Sasso-Untergrundlabor aufgebaut. An XENON sind mehrere Universitäten und Laboratorien weltweit beteiligt. Die wissenschaftliche Kollaboration wird seit 2002 von Elena Aprile (Columbia University) geleitet.

Funktionsweise Bearbeiten

Skizze zur Funktionsweise einer Xenon dual-phase TPC

Der Detektor ist eine Zwei-Phasen-Zeitprojektionskammer (dual phase time projection chamber, TPC) mit flüssigem Xenon (LXe) als Detektormaterial und gasförmigem (GXe) Xenon am oberen Rand des Detektors. Flüssiges Xenon eignet sich besonders gut für die Suche nach WIMPs, weil es sowohl hohe Dichte (3 g/cm3) als auch hohe Ordnungszahl (Z = 54) besitzt. Am oberen und am unteren Rand des Detektors sind Photomultiplier (PMTs) angeordnet. Bei einer Wechselwirkung eines Teilchens mit Xenon entsteht Szintillation und Ionisation. Das prompte Szintillationslicht wird von den PMTs detektiert (primäres Szintillationslicht, S1-Signal). Die freien Ladungen aus der Ionisation driften aufgrund eines elektrischen Feldes zur Oberfläche des flüssigen Xenons. Treten sie in die gasförmige Phase ein, erzeugen sie ebenfalls Szintillationslicht, welches von den PMTs detektiert wird (sekundäres Szintillationslicht, S2-Signal).

Aus der Zeitdifferenz zwischen dem S1- und dem S2-Signal und aus dem Muster, mit der das sekundäre Szintillationslicht auf die oberen PMTs fällt, kann die Position des Wechselwirkungspunktes bestimmt werden. Dadurch lassen sich Events im Zentrum des Detektors auswählen und Hintergrund unterdrücken (der vermehrt am Rand des Detektors auftritt). Das Verhältnis der Größe von S2-Signal und S1-Signal gibt Aufschluss über die Natur des Ereignisses. Da WIMPs elektrisch neutral sind, würden sie vor allem mit einem Xenonkern wechselwirken. Das Verhältnis der Größe von S2-Signal und S1-Signal ist bei diesen Events kleiner, als bei Teilchen, die mit der Elektronenhülle der Xenonatome wechselwirken würden (Gammastrahlung oder Elektronen). Dadurch können Untergrundevents herausgefiltert werden.

Phasen Bearbeiten

XENON10 Bearbeiten

In der ersten Phase XENON10 wurden 15 kg flüssiges Xenon verwendet. Der Aufbau von XENON10 wurde im März 2006 begonnen; die ersten Experimente starteten im Oktober 2006. In dieser Phase konnte kein Nachweis für WIMPs erbracht werden; der Wirkungsquerschnitt liegt damit unter 9 × 10−44 cm2 für eine angenommene Teilchenmasse von 30 GeV/c2.

XENON100 Bearbeiten

Innerer Kryostat und Abschirmung von XENON100
Oberer PMT array von XENON100 mit 98 Hamamatsu R8520-06-A1 PMTs. Die PMTs sind radial angeordnet.
Unterer PMT array von XENON100 mit 80 PMTs. Die PMTs sind so angeordnet, dass die eine möglichst große Fläche abdecken.

In der zweiten Phase XENON100 werden daher 150 kg flüssiges Xenon verwendet, was eine etwa 50-mal höhere Sensitivität ergibt. Der Detektor wurde im Februar 2008 in Betrieb genommen. Das im Juli 2012 veröffentlichte Limit ist mit 2 × 10−45 cm2 für WIMP-Massen von 55 GeV/c2 bei 90 % confidence level das zurzeit stärkste Limit auf den WIMP-Nukleon Wirkungsquerschnitt.

XENON1T Bearbeiten

Von Mitte 2013 bis November 2015 wurde das Folgeprojekt XENON1T aufgebaut. Hier sind 3500 kg flüssiges Xenon im Einsatz, von denen die inneren 2000 kg der Suche nach dunkler Materie dienen. Mit dem Experiment soll der untersuchte Parameterraum bis zu einem Streuquerschnitt von 2 × 10−47 cm2 bei einer WIMP Masse von 100 GeV/c2 ausgedehnt werden. Im Mai 2017 wurden erste Ergebnisse veröffentlicht, basierend auf Detektordaten von November 2016 bis Januar 2017. Es wurde kein Signal dunkler Materie gefunden, die gesetzten Ausschlussgrenzen sind besser als die besten vorherigen Grenzen von LUX.

Als am 17. Juni 2020 ein Überschuss in der Zählrate des Detektors mitgeteilt wurde, gab es die Hoffnung diesen durch solare Axionen oder Axion-ähnliche Teilchen zu erklären, möglichen Kandidaten für die Dunkle Materie. Durch die Erweiterung des Experimentes (neue Bezeichnung XENONnT) u. a. durch eine Erhöhung der Xenonmenge, konnte gezeigt werden, dass die Signale eher durch Spuren radioaktiven Tritiums zustande kamen.

Beteiligte Universitäten und Laboratorien Bearbeiten

XENON10 Bearbeiten

XENON100 Bearbeiten

XENON1T Bearbeiten

Obere Grenze für spinunabhängigen WIMP-Nukleon Wirkungsquerschnitt aus den bisherigen (Nov. 2017) Daten des XENON1T Experiments

Siehe auch Bearbeiten

Weitere große Experimente zur Suche nach Dunkler Materie in den 2000er Jahren sind z. B. das SuperCDMS Experiment in Minnesota oder EDELWEISS im Fréjus-Straßentunnel.

Weblinks Bearbeiten

Commons: XENON Dark Matter Project – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Homepage
  2. E. Aprile et al.: The XENON100 Dark Matter Experiment. In: Astropart. Phys. 35. Jahrgang, Nr. 537–590, 2012, arxiv:1107.2155.
  3. E. Aprile et al.: Dark Matter Results from 225 Live Days of XENON100 Data. In: Phys. Rev. Lett. 109. Jahrgang, Nr. 181301, 2012, arxiv:1207.5988.
  4. Neues Kapitel bei der Suche nach Dunkler Materie Pressemitteilung der Eröffnung, abgerufen am 14. Mai 2017.
  5. First Dark Matter Search Results from the XENON1T Experiment. In: XENON Collaboration (Hrsg.): Physical Review Letters. Band 119, Nr. 18, 30. Oktober 2017, doi:10.1103/PhysRevLett.119.181301, arxiv:1705.06655.
  6. The World’s Most Sensitive Dark Matter Detector Is Now Up and Running, 24. Mai 2017. Abgerufen am 25. Mai 2017. 
  7. ↑ Observation of Excess Events in the XENON1T Dark Matter Experiment
  8. Die Suche nach neuer Physik mit Elektron-Rückstoßsignalen: Erste Ergebnisse des XENONnT Experiments, vom 22. Juli 2022
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Veröffentlichungsdatum:
42 420566 13 516424 Koordinaten 42 25 14 N 13 30 59 1 O Das XENON Dark Matter Project ist ein Experiment zur Suche nach WIMPs einer Variante der Dunklen Materie Das Experiment ist im Gran Sasso Untergrundlabor aufgebaut An XENON sind mehrere Universitaten und Laboratorien weltweit beteiligt Die wissenschaftliche Kollaboration wird seit 2002 von Elena Aprile Columbia University 1 geleitet Inhaltsverzeichnis 1 Funktionsweise 2 Phasen 2 1 XENON10 2 2 XENON100 2 3 XENON1T 3 Beteiligte Universitaten und Laboratorien 3 1 XENON10 3 2 XENON100 3 3 XENON1T 4 Siehe auch 5 Weblinks 6 EinzelnachweiseFunktionsweise Bearbeiten nbsp Skizze zur Funktionsweise einer Xenon dual phase TPCDer Detektor ist eine Zwei Phasen Zeitprojektionskammer dual phase time projection chamber TPC mit flussigem Xenon LXe als Detektormaterial und gasformigem GXe Xenon am oberen Rand des Detektors Flussiges Xenon eignet sich besonders gut fur die Suche nach WIMPs weil es sowohl hohe Dichte 3 g cm3 als auch hohe Ordnungszahl Z 54 besitzt Am oberen und am unteren Rand des Detektors sind Photomultiplier PMTs angeordnet Bei einer Wechselwirkung eines Teilchens mit Xenon entsteht Szintillation und Ionisation Das prompte Szintillationslicht wird von den PMTs detektiert primares Szintillationslicht S1 Signal Die freien Ladungen aus der Ionisation driften aufgrund eines elektrischen Feldes zur Oberflache des flussigen Xenons Treten sie in die gasformige Phase ein erzeugen sie ebenfalls Szintillationslicht welches von den PMTs detektiert wird sekundares Szintillationslicht S2 Signal Aus der Zeitdifferenz zwischen dem S1 und dem S2 Signal und aus dem Muster mit der das sekundare Szintillationslicht auf die oberen PMTs fallt kann die Position des Wechselwirkungspunktes bestimmt werden Dadurch lassen sich Events im Zentrum des Detektors auswahlen und Hintergrund unterdrucken der vermehrt am Rand des Detektors auftritt Das Verhaltnis der Grosse von S2 Signal und S1 Signal gibt Aufschluss uber die Natur des Ereignisses Da WIMPs elektrisch neutral sind wurden sie vor allem mit einem Xenonkern wechselwirken Das Verhaltnis der Grosse von S2 Signal und S1 Signal ist bei diesen Events kleiner als bei Teilchen die mit der Elektronenhulle der Xenonatome wechselwirken wurden Gammastrahlung oder Elektronen Dadurch konnen Untergrundevents herausgefiltert werden 2 Phasen BearbeitenXENON10 Bearbeiten In der ersten Phase XENON10 wurden 15 kg flussiges Xenon verwendet Der Aufbau von XENON10 wurde im Marz 2006 begonnen die ersten Experimente starteten im Oktober 2006 In dieser Phase konnte kein Nachweis fur WIMPs erbracht werden der Wirkungsquerschnitt liegt damit unter 9 10 44 cm2 fur eine angenommene Teilchenmasse von 30 GeV c2 XENON100 Bearbeiten nbsp Innerer Kryostat und Abschirmung von XENON100 nbsp Oberer PMT array von XENON100 mit 98 Hamamatsu R8520 06 A1 PMTs Die PMTs sind radial angeordnet nbsp Unterer PMT array von XENON100 mit 80 PMTs Die PMTs sind so angeordnet dass die eine moglichst grosse Flache abdecken In der zweiten Phase XENON100 werden daher 150 kg flussiges Xenon verwendet was eine etwa 50 mal hohere Sensitivitat ergibt Der Detektor wurde im Februar 2008 in Betrieb genommen Das im Juli 2012 veroffentlichte Limit ist mit 2 10 45 cm2 fur WIMP Massen von 55 GeV c2 bei 90 confidence level das zurzeit starkste Limit auf den WIMP Nukleon Wirkungsquerschnitt 3 XENON1T Bearbeiten Von Mitte 2013 bis November 2015 wurde das Folgeprojekt XENON1T aufgebaut 4 Hier sind 3500 kg flussiges Xenon im Einsatz von denen die inneren 2000 kg der Suche nach dunkler Materie dienen Mit dem Experiment soll der untersuchte Parameterraum bis zu einem Streuquerschnitt von 2 10 47 cm2 bei einer WIMP Masse von 100 GeV c2 ausgedehnt werden Im Mai 2017 wurden erste Ergebnisse veroffentlicht basierend auf Detektordaten von November 2016 bis Januar 2017 Es wurde kein Signal dunkler Materie gefunden die gesetzten Ausschlussgrenzen sind besser als die besten vorherigen Grenzen von LUX 5 6 Als am 17 Juni 2020 ein Uberschuss in der Zahlrate des Detektors 7 mitgeteilt wurde gab es die Hoffnung diesen durch solare Axionen oder Axion ahnliche Teilchen zu erklaren moglichen Kandidaten fur die Dunkle Materie Durch die Erweiterung des Experimentes neue Bezeichnung XENONnT u a durch eine Erhohung der Xenonmenge 7 konnte gezeigt werden dass die Signale eher durch Spuren radioaktiven Tritiums zustande kamen 8 Beteiligte Universitaten und Laboratorien BearbeitenXENON10 Bearbeiten University of Columbia USA Brown University USA Rice University USA Case Western Reserve University USA RWTH Aachen Deutschland Yale University USA Lawrence Livermore National Laboratory USA Laboratori Nazionali del Gran Sasso Italien Universitat Coimbra PortugalXENON100 Bearbeiten University of Columbia USA Rice University USA Universitat Zurich Schweiz Laboratori Nazionali del Gran Sasso Italien Universitat Coimbra Portugal University of California USA Purdue University USA Weizmann Institut fur Wissenschaften Israel NIKHEF Niederlande SubaTech Frankreich Westfalische Wilhelms Universitat Munster Deutschland Max Planck Institut fur Kernphysik Deutschland Jiaotong Universitat Shanghai China Johannes Gutenberg Universitat Mainz DeutschlandXENON1T Bearbeiten nbsp Obere Grenze fur spinunabhangigen WIMP Nukleon Wirkungsquerschnitt aus den bisherigen Nov 2017 Daten des XENON1T ExperimentsUniversity of Columbia USA Rice University USA Universitat Zurich Schweiz Laboratori Nazionali del Gran Sasso Italien Universitat Bologna Italien Universitat Coimbra Portugal University of California Los Angeles USA University of California San Diego USA Purdue University USA Weizmann Institut fur Wissenschaften Israel NIKHEF Niederlande SubaTech Frankreich LAL IN2P3 Orsay Frankreich Westfalische Wilhelms Universitat Munster Deutschland Albert Ludwigs Universitat Freiburg Deutschland Max Planck Institut fur Kernphysik Deutschland Johannes Gutenberg Universitat Mainz DeutschlandSiehe auch BearbeitenWeitere grosse Experimente zur Suche nach Dunkler Materie in den 2000er Jahren sind z B das SuperCDMS Experiment in Minnesota oder EDELWEISS im Frejus Strassentunnel Weblinks Bearbeiten nbsp Commons XENON Dark Matter Project Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien Offizielle Website englisch XENON100 Website englisch XENON1T a ton scale Dark Matter Experiment Elena Aprile on behalf of the XENON collaboration 2010 PDF 8 1 MiB englisch Vortrag von Dr Rafael Lang uber den Aufbau und die Funktion des Experiments youtube deutsch Einzelnachweise Bearbeiten Homepage E Aprile et al The XENON100 Dark Matter Experiment In Astropart Phys 35 Jahrgang Nr 537 590 2012 arxiv 1107 2155 E Aprile et al Dark Matter Results from 225 Live Days of XENON100 Data In Phys Rev Lett 109 Jahrgang Nr 181301 2012 arxiv 1207 5988 Neues Kapitel bei der Suche nach Dunkler Materie Pressemitteilung der Eroffnung abgerufen am 14 Mai 2017 First Dark Matter Search Results from the XENON1T Experiment In XENON 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