Xenon Ausstellung

Woraus besteht der grösste Teil unseres Universums? Was beeinflusst die Bewegung ganzer Galaxien und sieht man doch nicht? Was ist überhaupt das Xenon Experiment, und wieso muss man es unter der Erde machen?

Xenon kennen Sie vielleicht als das Gas in modernen Auto-Scheinwerfern. Doch was hat es mit Dunkler Materie zu schaffen? Xenon spielt eine entscheidende Rolle bei der Suche nach einem der grössten Mysterien des Universums. An den internationalen Experimenten ist auch die UZH beteiligt: Das flüssige Xenon füllt den Innenraum eines Detektors, welcher an der UZH entwickelt und gebaut wurde. Dieser Detektor konnte im Science Pavilion live betrachtet werden. Geforscht wird dabei tief unter der Erde. Warum und wie, erfahren Sie in dieser Ausstellung.

1.4. km unter der dem Bergmassiv ...

Sie ist da draussen, und sie beeinflusst mit ihrer Masse die Bahnen von Sternen in Galaxien und die Bewegung der Galaxien selbst. Aber kein Teleskop hat diese rätselhafte Materie, aus der 85 Prozent des Universums bestehen, je direkt erfasst: Denn sie leuchtet nicht, strahlt nicht und reflektiert kein Licht. Die Astrophysik nennt sie deshalb «Dunkle Materie». Seit mehr als zwanzig Jahren entwickeln Astroteilchenphysikerinnen und -physiker Nachweisgeräte mit immer höherer Auflösung, um der Natur der Dunklen Materie auf die Spur zu kommen. Einer derempfindlichsten Detektoren, der Dunkle Materie aus dem Kosmos direkt nachweisen will, steht im Untergrundlabor Gran Sasso in Italien.

Standort: 1400 Meter unter dem Boden

Die Xenon-Experimente werden im Untergrundlabor Gran Sasso, Italien, durchgeführt. Dank der Lage unter einer 1400 Meter dicken Felsschicht ist das Experiment weitgehend vor störender kosmischer und radioaktiver Strahlung abgeschirmt.

Das Gran-Sasso-Untergrundlabor liegt in den italienischen Abruzzen. Es befindet sich in einem Seitenstollen des Autobahntunnels, der das Gebirgsmassiv Gran Sasso durchquert und die Provinzen Teramo, Pescara und L’Aquila verbindet.

 

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© XENON Kollaboration | 2015

Was wir wissen. Und was noch nicht.

1933 beobachtet der Schweizer Astrophysiker Fritz Zwicky mit einem Teleskop am Mount-Wilson-Observatorium in Kalifornien den Coma-Galaxienhaufen. Er misst dessen Licht und berechnet dessen Masse. Dann bestimmt er die Geschwindigkeiten der einzelnen Galaxien und macht eine irritierende Feststellung: Die Galaxien bewegen sich schneller, als sie aufgrund ihrer sichtbaren Masse dürften. Sie bewegen sich so schnell, dass sie der Schwerkraft des Galaxienhaufens entfliehen müssten. Um den Widerspruch zwischen Beobachtung und Berechnung aufzulösen, postuliert Zwicky die Existenz einer zusätzlichen mit dem Teleskop nicht feststellbaren Masse, die auf die Galaxien wirkt: die Dunkle Materie. Zwickys Beobachtungen geraten in Vergessenheit. Erst in den 1970er-Jahren gewinnen sie an Bedeutung, als Astronomen, insbesondere Vera Rubin und ihr Team, vor demselben Problem wie Zwicky stehen: Spiralgalaxien wie unsere Milchstrasse rotieren so schnell, dass sie eigentlich von der Fliehkraft zerrissen werden müssten, wäre nicht eine zusätzliche unsichtbare Masse – die Dunkle Materie – vorhanden. Seitdem wird die Existenz der Dunklen Materie mit immer genaueren Messungen sowie mit Computersimulationen zur Bildung von Galaxien und grösseren Strukturen im Universum bestätigt. Doch bleibt bis heute die wesentliche Frage nach ihrer Zusammensetzung offen.

Die Xenon-Experimente: Licht ins Dunkel

Die Xenon-Experimente beruhen auf der Annahme, dass Dunkle Materie mit Standardmaterie in Wechselwirkung tritt. Anders als beim CMS-Detektor am CERN handelt es sich bei den Xenon-Experimenten um die direkte Suche nach Dunkler Materie respektive nach sogenannten WIMPs (schwach wechselwirkenden massereichen Teilchen). Als Medium für die Wechselwirkung dient flüssiges Xenon. Dank immer grösserer Detektoren und Mengen flüssigen Xenons sowie immer schwächerer Störgeräusche verbessern sich die Chancen für einen direkten Nachweis der Dunklen Materie.

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Blick in den Wassertank mit dem aufgehängten Stahltank, der den eigentlichen Detektor enthält (linke Bildseite). Der Stahltank ist mit flüssigem und gasförmigem Xenon gefüllt, das als Nachweismedium für Elementarteilchen dient. Wasser wird als Medium zum Abschirmen von störender radioaktiver und kosmischer Strahlung verwendet. Rechts im Bild: der Technikteil mit der Infrastruktur für den Betrieb des Detektors und die Aufzeichnung der Daten. © XENON Collaboration | 2015

Die Xenon-Experimente in Zahlen

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Die Universität Zürich ist seit 2007 über die Forschungsgruppe von Prof. Laura Baudis an den Xenon-Experimenten beteiligt.

Forschung ist Teamarbeit

Laura Baudis und ihre Gruppe bauten 2014-2015 für das Xenon-1T-Experiment wesentliche Teile der Zeit-Projektionskammer im eigentlichen Detektor. Ebenso waren sie führend an den Tests und am Bau der 248 Lichtsensoren und an der Messung der Radioaktivität der Detektormaterialien beteiligt. Baudis und ihr Team sind in die Eichung, den Betrieb und die Analyse der Daten involviert.

Für das Xenon-nT-Experiment baute die Gruppe Baudis erneut Komponenten der Zeit-Projektionskammer. Sie sind wiederum an den Tests und am Bau der 494 Lichtsensoren und an der Messung der Radioaktivität der Detektormaterialien beteiligt. Zudem ist die Gruppe für die Auslese-Elektronik der Lichtsensoren, für die Kabel und das Lichteichsystem sowie für die neuen Verstärker der Lichtsignale verantwortlich.

Seit 2017 arbeitet die Gruppe Baudis auch an der Entwicklung von Xenoscope, dem Prototyp für den geplanten DARWIN-Detektor. Dieser wird dereinst im Untergrundlabor von Gran Sasso aufgebaut werden. Mit seinen 50 Tonnen flüssigen Xenons wird der Detektor das empfindlichste je gebaute Nachweisgerät für Dunkle Materie sein.

Laura Baudis Portraitvideo

Michelle Galloway Portraitvideo

Funktionsweise der Zeit-Projektionskammer erklärt

Die originale Zeit-Projektionskammer (Time projection Chamber, TPC), welches im Science Pavilion UZH ausgestellt war, bildete das Herzstück des XENON-1T Experiments. Die TPC wurde an der UZH gebaut und war von 2013 bis 2018 in Gran Sasso in Betrieb. Das XENON-1T Experiment hatte das Ziel, nach den extrem schwer messbaren und bis heute noch nicht nachgewiesenen Teilchen der Dunklen Materie zu suchen.

Im Betrieb war die TPC gefüllt mit 2000 kg flüssigem XENON. Flüssiges Xenon eignet sich besonders gut für die Suche nach Teilchen der Dunklen Materie, weil es sowohl eine hohe Dichte als auch eine hohe Ordnungszahl besitzt.

Die Funktionsweise der TPC ist in der grafischen Darstellung illustriert. Bei einer Wechselwirkung eines Teilchens mit Xenon entstehen Lichtblitze und freie Elektronen (lonisation). Das Lichtsignal wird von den Lichtdetektoren (Photomultipliern, PMTs) registriert, die am unteren und oberen Ende des Detektors installiert sind.

Im Ausstellungsstück ist ein PMT montiert, von den anderen sieht man nur die Löcher. Die freien Elektronen driften aufgrund eines elektrischen Feldes in den oberen Teil der TPC, in dem sich gasförmiges Xenon befindet. Treten die Elektronen in die gasförmige Phase ein, erzeugen sie ebenfalls Licht, welches detektiert wird. Die Kupferringe, die die TPC umgeben dienen dazu, ein gleichmässiges elektrisches Feld zu erzeugen, so dass die Elektronen eine konstante Geschwindigkeit haben. Die weissen Abstandshalter und Halterungen für die PMTs sind aus Teflon.

Erste Ergebnisse und eine Vermutung

Mithilfe des Xenon-1T-Detektors ist es erstmals gelungen, den extrem seltenen radioaktiven Zerfall des Xenon-124-Isotops aufzuzeichnen. Dieses Isotop hat die unvorstellbar lange Halbwertszeit von 1.8 x 1022 Jahren. (Im Vergleich dazu: Das Universum hat ein Alter von 1.38 x 1010 Jahren.) Das Ergebnis zeigt, wie präzise der Detektor sehr seltene Zerfälle registrieren und Störsignale herausfiltern kann.

Bei der Analyse der Xenon-1T-Daten ist ein unerwartetes Signal festgestellt worden: Möglicherweise deutet dieses auf die Existenz neuer Teilchen oder auf bisher unbekannte Eigenschaften von Neutrinos.

Die Zukunft ist im Bau

Die Inbetriebnahme von Xenon-nT wird 2020 beendet sein. Erste Messreihen finden voraussichtlich ab 2021 statt. Mithilfe eines ERC Advanced Grants entwickeln und bauen Laura Baudis und ihre Gruppe Xenoscope, den Prototyp für den geplanten 50-Tonnen-Xenon-Detektor DARWIN. Dort sollen unter anderem neuartige Lichtsensoren zum Einsatz kommen.