Die Suche nach neuer Physik mit Elektron-Rückstosssignalen: Erste Ergebnisse des XENONnT Experiments

Aufbau des XENONnT Detektors

XENONnT, der neueste Detektor der internationalen XENON-Kollaboration, zeigt ein bisher unerreicht niedriges Niveau an Untergrundsignalen, das eine empfindliche Suche nach neuen, sehr seltenen Phänomenen ermöglicht.

Erste Ergebnisse klären nun ein aufregendes Signal, das im Vorgängerexperiment XENON1T beobachtet wurde, und setzen starke Grenzen für verschiedene Szenarien neuer Physik.

Das XENONnT-Experiment wurde entwickelt, um nach den sehr schwer nachweisbaren Teilchen der dunklen Materie zu suchen. Der Detektor enthält fast 6000 kg extrem reines üssiges Xenon zum Nachweis von Teilchenwechselwirkungen. Um ihn vor kosmischer Strahlung und natürlicher Radioaktivität zu schützen, ist er tief unter der Erde im Untergrundlabor Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italien installiert. Der eigentliche Xenon-Detektor be ndet sich in einem großen Wassertank, der mit Lichtsensoren ausgestattet ist, um Myonen und Neutronen abzuschirmen oder nachzuweisen. Trotz der schwierigen Pandemie-Situation wurde XENONnT zwischen
Frühjahr 2020 und Frühjahr 2021 gebaut und anschließend in Betrieb genommen. XENONnT nahm zwischen Juli und November 2021 die ersten wissenschaftlichen Daten im Umfang von 97,1 Tagen auf.

Für diese Art von Experimenten ist eine möglichst geringe natürliche Radioaktivität erforderlich. Das gilt sowohl für das Xenon als auch für die Detektormaterialien und die Umgebung. Im Xenon ist vor allem Radon am schwierigsten zu reduzieren, und ihre Verringerung auf ein akzeptables Niveau ist der „heilige Gral“ für Suchen auf dem Empfindlichkeitsniveau von XENONnT. Die XENON-Kollaboration hat nun mit großem Aufwand das Radon auf ein noch nie dagewesenes Niveau reduziert. Grundlage dieses Erfolges ist eine sehr sorgfältige Materialauswahl und der erfolgreiche Betrieb einer Destillationsanlage, die Radon aktiv aus dem Xenon entfernt.

Vor zwei Jahren gab die XENON-Kollaboration die Beobachtung eines Überschusses von Elektron-Rückstossereignissen im Vorgängerexperiment XENON1T bekannt. Dies sind Signale, bei denen Teilchen Energie auf die Elektronen von Xenon-Atomen übertragen, welche dann nachgewiesen werden. Das Ergebnis löste großes Interesse und zahlreiche Veröffentlichungen aus, da es als Signal für eine „neue Physik“ jenseits bekannter Phänomene gedeutet werden konnte. Wechselwirkungen von solaren Axionen oder Axion-ähnliche Teilchen könnten derartige Signale hervorrufen. Alternativ könnten Neutrinos mit einem anomalen magnetischen Moment oder andere hypothetische Teilchen des dunklen Sektors dafür verantwortlich sein.

Heute hat die XENON-Kollaboration die ersten Ergebnisse ihres neuen und emp ndlicheren Experiments XENONnT veröffentlicht. Der Untergrund an Elektron-Rückstößen aus verbleibenden Unreinheiten wurde dabei auf ein Fünftel des Vorgängers XENON1T reduziert. Das Fehlen eines Überschusses in den neuen Daten deutet nun Die Suche nach neuer Physik mit Elektron-Rückstosssignalen: Erste Ergebnisse des XENONnT Experimentsdarauf hin, dass das XENON1T-Signal wahrscheinlich von minimalen Spuren radioaktiven Tritiums im üssigen Xenon verursacht wurde, eine der damals in Betracht gezogenen Hypothesen. Gleichzeitig werden die Szenarien neuer Physik, die alternativ zur Erklärung des Überschusses herangezogen wurden, nun sehr stark eingeschränkt.

Mit diesem neuen Ergebnis, das durch eine blind durchgeführte Analyse erzielt wurde, gibt XENONnT schon mit seinem ersten Datensatz aus dem bisherigen Betrieb sein mit Spannung erwartetes Debüt. Die vorhandenen Daten werden weiter analysiert, um nach schwach wechselwirkenden massiven Teilchen (WIMPs) zu suchen, einem der
vielversprechendsten Kandidaten für Dunkle Materie im Universum. In der Zwischenzeit sammelt XENONnT weitere Daten und strebt im Rahmen seines Forschungsprogramms für die nächsten Jahre eine noch höhere Emp ndlichkeit an.

Die Gruppe um Prof. Laura Baudis an der Universität Zürich trug wesentlich an der Entwicklung und Bau der Zeit-Projektionskammer, an der Installation, Ausleseelektronik und Eichung der 494 Photodetektoren, sowie an Messungen von Spuren von Radioaktivität in den Detektormaterialien bei. Die Gruppe ist auch führend an der Datenanalyse und an Monte Carlo Simulationen des erwarteten Untergrundes beteiligt.

Bild: Luigi Di Carlo für die XENON Kollaboration
Aufbau des XENONnT Detektors im Reinraum am LNGS

Kontakt: Prof. Laura Baudis, laura.baudis@uzh.ch

Roland Bernet

News