Kosmologie: Detektor Lux-Zeplin soll Dunkle Materie finden

Dunkle Materie macht den Großteil der Masse des Universums aus. Ein neuer Detektor in den USA soll Dunkle-Materie-Teilchen erstmals sichtbar machen.

Artikel veröffentlicht am 8. Juli 2022, 17:58 Uhr, Werner Pluta

Detektor Lux-Zeplin: 1,6 Kilometer unter Erde geschützt vor kosmischer Strahlung (Bild: Matthew Kapust, Sanford Underground Research Facility)

Finden wir bald Dunkle Materie? In den USA ist ein Detektor in Betrieb gegangen, der zur Klärung einer der wichtigen offenen Fragen der Kosmologie beitragen soll.

Der Lux-Zeplin (LZ) ist der empfindlichste Detektor der Welt für Dunkle Materie. Um ihn vor kosmischer Strahlung zu schützen, befindet er sich etwa 1,6 Kilometer tief unter der Erde. Es ist Teil der Forschungsanlage Sanford Underground Research Facility (Surf) in Lead im US-Bundesstaat South Dakota.

Der Detektor besteht aus zwei ineinandergeschachtelten Titantanks, die mit zehn Tonnen hochreinem Xenon gefüllt sind, das bei einer Temperatur von minus 100 Grad Celsius flüssig ist. Die Titantanks befinden sich in einem größeren Detektorsystem, das Teilchen auffangen soll. Zu dem Detektor gehören zwei Arrays von Photomultipliern (PMTs), die sehr schwaches Licht erfassen können.

LZ soll WIMPs erfassen

Der Detektor soll schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs) einfangen. Diese gelten als ein Kandidat für Dunkle Materie. Wenn ein solches Teilchen mit einem Xenonatom kollidiert, entsteht ein Lichtblitz, den die PMTs registrieren sollen. Zudem trennt die Kollision ein Elektron aus dem Xenonatom, das einen weiteren Lichtblitz erzeugt, mit dessen Hilfe der Ort der Kollision im Detektor bestimmt werden soll.

Dunkle Materie heißt so, weil sie kein Licht aussendet, absorbiert oder streut. Das Standardmodell postuliert ihre Existenz, weil nur dadurch beispielsweise die Form und Bewegung von Galaxien erklärt werden können. Dunkle Materie soll etwa 85 Prozent an der Gesamtmasse des Universums ausmachen. Bisher wurden noch keine entsprechenden Teilchen nachgewiesen.

Im wissenschaftlichen Betrieb wird der LZ bis zu 1.000 Tage ununterbrochen laufen. Die Start-up-Phase hat er bereits erfolgreich absolviert und auch schon erste wissenschaftliche Ergebnisse geliefert - wenn auch noch keine Kollision mit Teilchen der Dunklen Materie. "Wir sind bereit und alles sieht gut aus", sagte Kevin Lesko, leitender Physiker des Berkeley Lab, das den LZ betreibt. "Es ist ein komplexer Detektor mit vielen Teilen, die alle innerhalb der Erwartungen gut funktionieren."