XENON Dark Matter Project
Das  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 

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

XENON10 
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 

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 
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.

Am 17. Juni 2020 wurde in einer Pressemitteilung ein noch nicht vollständig erklärter Überschuss in der Zählrate des Detektors mitgeteilt. Mit einer Wahrscheinlichkeit von 3,5 sigma kann dieser Überschuss durch solare Axionen, einem möglichen Kandidaten für die Dunkle Materie, erklärt werden. Mehr Klarheit erhofft man sich in einer Erweiterung des Experimentes u. a. durch eine Erhöhung der Xenonmenge auf 8300 kg. Das so erweiterte Experiment trägt die Bezeichnung XENONnT.

Beteiligte Universitäten und Laboratorien

XENON10 
 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
 Universität Coimbra, Portugal

XENON100 
 University of Columbia, USA
 Rice University, USA
 Universität Zürich, Schweiz
 Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italien
 Universität Coimbra, Portugal
 University of California, USA
 Purdue University, USA
 Weizmann-Institut für Wissenschaften, Israel
 NIKHEF, Niederlande
 SubaTech, Frankreich
 Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Deutschland
 Max-Planck-Institut für Kernphysik, Deutschland
 Jiaotong-Universität Shanghai, China
 Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Deutschland

XENON1T 

 University of Columbia, USA
 Rice University, USA
 Universität Zürich, Schweiz
 Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italien
 Universität Bologna, Italien
 Universität Coimbra, Portugal
 University of California, Los Angeles, USA
 University of California, San Diego, USA
 Purdue University, USA
 Weizmann-Institut für Wissenschaften, Israel
 NIKHEF, Niederlande
 SubaTech, Frankreich
 LAL, IN2P3, Orsay, Frankreich
 Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Deutschland
 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Deutschland
 Max-Planck-Institut für Kernphysik, Deutschland
 Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Deutschland

Siehe auch 
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 

 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 über den Aufbau und die Funktion des Experiments (youtube) (deutsch)

Einzelnachweise 

Kern- und Teilchenphysikexperiment
Wissenschaft und Forschung in Italien
Bildung und Forschung in den Abruzzen
Internationales Forschungsprojekt