XENON Dark Matter Project

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42.42056613.516424Koordinaten: 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 (siehe unten). Die wissenschaftliche Kollaboration wird seit 2002 von Elena Aprile (Columbia University)[1] geleitet.

Funktionsweise[Bearbeiten]

Der Detektor ist eine Zwei-Phasen-Zeitprojektionskammer (dual phase time projection chamber, TPC) mit flüssigem Xenon als Detektormaterial und gasförmigen 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, würde sie 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. [2]

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 2007. 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]

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 veröffentliche Limit ist mit 2 × 10−45 cm2 für WIMP-Massen von 55 GeV/c2 bei 90% confidence level ist das zur Zeit stärkste Limit auf den WIMP-Nukleon Wirkungsquerschnitt.[3]

XENON1T[Bearbeiten]

Der Bau des Folgeprojekt namens XENON1T ist im Sommer 2013 gestartet. Hier sollen 3000 kg flüssiges Xenon eingesetzt werden, um den untersuchten Parameterraum bis zu einem Streuquerschnitt von 2 × 10−47 cm2 bei einer WIMP Masse von 100 GeV/c2 auszudehnen.

Beteiligte Universitäten und Laboratorien[Bearbeiten]

XENON10[Bearbeiten]

XENON100[Bearbeiten]

XENON1T[Bearbeiten]

Siehe auch[Bearbeiten]

Weitere große Experimente zur Suche nach Dunkler Materie in den 2000er Jahren sind z.B. das SuperCDMS Experiment in Sudbury oder EDELWEISS im Frejus Tunnel.

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Homepage
  2. E. Aprile et al. (The XENON100 Collaboration): The XENON100 Dark Matter Experiment. In: Astropart. Phys.. 35, Nr. 537-590, (2012). arXiv:1107.2155.
  3. E. Aprile et al. (The XENON100 Collaboration): Dark Matter Results from 225 Live Days of XENON100 Data. In: Phys. Rev. Lett.. 109, Nr. 181301, (2012). arXiv:1207.5988.