/ via Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg /
Neuer Meilenstein bei der Reduktion der Hintergrundstrahlung beim XENONnT-Experiment in Italien eröffnet neue Möglichkeiten bei der Suche nach Dunkler Materie
Eines der großen ungelösten Rätsel der Physik der Gegenwart ist die Existenz von Dunkler Materie: Um die Bewegungen aller sichtbaren Objekte im Universum erklären zu können, muss es das 5-fache dieser Masse an unsichtbarer Materie geben. Doch welche Eigenschaften diese Dunkle Materie besitzt und wie sie sich bei Interaktionen mit der uns bekannten Materie verhält, ist bislang völlig unbekannt.
Bei der weltweiten Suche nach Dunkler Materie zählt das XENONnT-Experiment am INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italien zu den empfindlichsten Detektoren auf diesem Gebiet. Ziel des Experiments ist es, die Wechselwirkungen dieser hypothetischen Dunkle-Materie-Teilchen mit Xenon-Atomen zu beobachten. Der Detektor ist tief unter der Erde vor kosmischer Strahlung abgeschirmt und wird auf minus 95 °C gekühlt, um das Xenon in einem flüssigen Zustand zu halten. Der Nachweis der Dunklen Materie erfordert eine praktisch verunreinigungsfreie Umgebung, die durch das einzigartige Design des Detektors und die Verwendung ultrareiner Materialien erreicht wird. Dennoch können selbst Spuren natürlicher Radioaktivität falsche Signale erzeugen und die seltenen Ereignisse, nach denen die Forschenden suchen, verschleiern.
Die internationale XENONnT-Kollaboration, an der über 190 Wissenschaftler:innen aus 30 Institutionen weltweit beteiligt sind, hat nun einen bedeutende technologische Fortschritt erzielt: Sie konnte eine der problematischsten Verunreinigungen durch das radioaktive Gas Radon deutlich reduzieren.
Ein neuartiges kryogenes Destillationssystem reinigt dabei das flüssige Xenon im Inneren des Detektors und kann so die durch Radon verursachte Radioaktivität auf ein außerordentlich niedriges Niveau reduzieren – eine Milliarde Mal niedriger als die natürliche Radioaktivität des menschlichen Körpers und vier Mal niedriger als der bisherige Rekordwert in XENONnT. Die neue Destillationsmethode reinigt das Xenon kontinuierlich und senkt die Radonkonzentration auf nur noch 430 Radon-Atome pro Tonne flüssiges Xenon. Dadurch ist ihr Hintergrundbeitrag so gering wie der von solaren Neutrinos. Die Analyse der entsprechenden Daten zu diesem Ergebnis wurde von Dr. Florian Jörg am Max-Planck-Institut für Kernphysik durchgeführt. Die Messung setzt einen neuen Maßstab für die Reinheit von xenonbasierten Detektoren und verbessert so die Empfindlichkeit für diese seltenen Teilchenwechselwirkungen erheblich. Dies könnte der entscheidende Schritt zur Aufklärung über die Natur der Dunklen Materie geben.
„Diese Leistung zeigt die Effektivität der internationalen Zusammenarbeit”, sagt Prof. Christian Weinheimer von der Universität Münster, dessen Team die Entwicklung dieser Technologie geleitet hat. „Dieser Durchbruch ermöglicht es uns, die Grenzen der Teilchenphysik zu erweitern und der Lösung des Rätsels der Dunklen Materie einen Schritt näher zu kommen.“
Die vollständige Auswertung dieser niedrigsten, jemals erreichten Radon-Hintergrundrate durch die Kollaboration wird diesen Monat in „Physical Review X” veröffentlicht.
Originalpublikation
Aprile E. et al. (2025): Radon Removal in XENONnT down to the Solar Neutrino Level. Physical Review X 15, 031079, DOI: 10.1103/zc1w-88p6
Weitere Informationen
