Dunkle Materie: Mit CRESST auf der Suche nach Leichtgewichten

2015-09-08 – Nachrichten aus dem Physik-Department

Die Erde, Planeten, Sterne und Galaxien bilden nur den sichtbaren Teil der Materie im Universum. Den weitaus größeren Teil nimmt die unsichtbare Dunkle Materie ein. In zahlreichen Experimenten fahnden Wissenschaftler nach den Teilchen der dunklen Materie – bisher vergeblich. Mit dem CRESST-Experiment lässt sich der Suchradius jetzt deutlich ausweiten: Die CRESST-Detektoren werden überarbeitet und können danach Teilchen nachweisen, deren Masse unterhalb des heutigen Messbereichs liegt. Somit steigt die Chance, der Dunklen Materie auf die Spur zu kommen.

Einbau von Detektormodulen in das CRESST-Experiment

Theoretische Modelle und Beobachtungen im All lassen kaum einen Zweifel daran, dass dunkle Materie existiert. Ihr Anteil beträgt das Fünffache der sichtbaren Materie. „Als wahrscheinlichster Kandidat für das dunkle Materieteilchen galt bisher ein schweres Teilchen, das WIMP’“, erklärt Dr. Federica Petricca, Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für Physik und Sprecherin des CRESST-Experiments (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers). „Daher untersuchen die meisten Experimente derzeit einen Messbereich zwischen 10 und 1.000 GeV/c².“

Die derzeitige Untergrenze von 10 GeV/c² (GeV: Gigaelektronenvolt; c: Lichtgeschwindigkeit) entspricht ungefähr der Masse eines Kohlenstoffatoms. Allerdings gibt es in der Dunkle Materie-Forschung inzwischen neue theoretische Modelle, die einige Ungereimtheiten beseitigen – zum Beispiel den Unterschied zwischen der simulierten und der tatsächlich beobachteten Dunklen Materie in Galaxien. Einige dieser Modelle schlagen dunkle Materieteilchen vor, die deutlich leichter sind als die klassischen WIMPs.

Messrekord für leichte dunkle Materieteilchen

Einen wichtigen Schritt zum Aufspüren dieser „Leichtgewichte“ hat CRESST jetzt geleistet: In einem Langzeit-Versuch mit einem Detektor erreichten die Wissenschaftler eine Energieschwelle von 307 Elektronenvolt. „Dieser Detektor eignet sich nun insbesondere für Messungen zwischen 0,5 und 4 GeV/c²und hat in diesem Bereich seine Sensitivität um das Hundertfache verbessert“, sagt Dr. Jean-Côme Lanfranchi, Wissenschaftler am Lehrstuhl für Experimentalphysik und Astroteilchenphysik der Technischen Universität München.

„Wir können so Teilchen mit geringerer Masse als die des WIMP entdecken – beispielsweise Dunkle Materie-Teilchen mit einer Masse ähnlich der des Protons, dessen Masse 0,94 GeV/c² beträgt“, ergänzt Petricca.

Auf Grundlage der jetzt gewonnenen Erkenntnisse statten die Wissenschaftler nun das Experiment mit den neuartigen Detektoren aus. Der nächste Messzyklus von CRESST soll Ende 2015 beginnen und ein bis zwei Jahre dauern.

Das CRESST Experiment

Prototyp für die künftigen CRESST-Detektoren: Der neue Kristall (Mitte) ist quaderförmig und kleiner als im aktuellen Experiment. Kalziumwolframat ersetzt die bisherigen Metallkomponenten.

Kernstück aller CRESST-Detektoren ist ein Kristall aus Kalziumwolframat. Treffen die gesuchten Teilchen auf eines der drei Kristallatome (Kalzium, Wolfram und Sauerstoff), messen die Detektoren gleichzeitig die Energie und ein Lichtsignal der Kollision, das Aufschluss über die Art des Teilchens liefert.

Damit sich die minimalen Temperatur- und Lichtsignale aufzeichnen lassen, werden die Detektormodule bis fast auf den absoluten Nullpunkt (-273,15 Grad Celsius) gekühlt. Um störende Hintergrundereignisse auszuschalten, verwenden die CRESST-Wissenschaftler zum einen Materialien mit geringer natürlicher Radioaktivität, zum anderen steht das Experiment im größten Untergrundlabor der Welt, im italienischen Gran-Sasso-Massiv und ist daher weitgehend vor kosmischer Strahlung abgeschirmt.

Was ist neu?

• CRESST arbeitet künftig mit kleineren, und – im Gegensatz zu kommerziell gefertigten – hochreinen Kristallen. Mit den kleineren Kristallen lässt sich die Energieschwelle senken. Die Kristalle werden am Physik-Department der Technischen Universität München gezüchtet. Ihre äußerst geringe Eigenradioaktivität macht das Experiment empfindlicher.
• Die ursprünglichen Bronze-Kristallaufhängungen wurden durch Kalziumwolframat ersetzt. Damit lässt sich die Anzahl unerwünschter Effekte durch natürliche Radioaktivität auf den Metalloberflächen stark verringern.
• Die Präzision des Lichtdetektors wurde optimiert – Kollisionen bereits bekannter Teilchen lassen sich klarer von Kollisionen dunkler Materieteilchen unterscheiden.

An der CRESST-Kollaboration beteiligen sich das Max-Planck-Institut für Physik, die University of Oxford, die Technische Universität München, die Universität Tübingen, das Institut für Hochenergiephysik in Wien, die Technische Universität Wien und die Laboratori Nazionali del Gran Sasso des Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Unterstützt wurden die Arbeiten mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Exzellenzclusters Origin and Structure of the Universe, der Helmholtz Allianz für Astroteilchenphysik (HAP) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF).

Editing

Barbara Wankerl (MPP) / Dr. Andreas Battenberg (TUM) / Dr. Johannes Wiedersich (Physik-Department)