{"id":10053,"date":"2025-07-15T12:03:27","date_gmt":"2025-07-15T10:03:27","guid":{"rendered":"https:\/\/cms.zdv.uni-mainz.de\/fb08-xenon-physik\/?page_id=10053"},"modified":"2025-09-08T11:33:04","modified_gmt":"2025-09-08T09:33:04","slug":"xenonnt","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/xenonnt\/","title":{"rendered":"Direkte Suche nach dunkler Materie"},"content":{"rendered":"\n<\/jgu-base-pageheader>\n\n\n \n<\/jgu-base-anchornavigation>\n\n<\/div>\n\n\n<\/jgu-base-heading>\n\n\n\n

Astrophysikalische Beobachtungen deuten auf die Existenz von zwei Bestandteilen<\/em> hin, die die Entwicklung des Universums dominieren: Dunkle Energie und Dunkle Materie. Dunkle Energie wird als einheitliches Energiefeld betrachtet, das die Expansion des Universums antreibt. Dunkle Materie k\u00f6nnte ein neues Teilchen oder eine andere neue Physik sein, die unser Verst\u00e4ndnis der Schwerkraft beeintr\u00e4chtigt. <\/p>\n\n\n\n

Die Analyse der Galaxienbewegung in Galaxienhaufen deutete auf die Existenz unsichtbarer Materie hin; der erste Beweis f\u00fcr Dunkle Materie<\/em> von Fritz Zwicky in den 1930er Jahren<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

Die Beobachtung der Bewegung von Gaswolken und Sternen in (fernen) Galaxien zeigt Abweichungen von den erwarteten Geschwindigkeiten gem\u00e4\u00df dem Kepler-Gesetz und Galaxienmassensch\u00e4tzungen unter Verwendung der beobachtbaren, lichtemittierenden Materie. Die Orbitalgeschwindigkeiten bleiben nahezu konstant, anstatt mit zunehmender Entfernung vom Kern abzunehmen. Ein weiterer Hinweis auf die Existenz einer betr\u00e4chtlichen Menge unsichtbarer Materie, die sich weit \u00fcber die sichtbare Materie der Galaxie hinaus erstreckt. <\/p>\n\n\n\n

Weitere starke Hinweise finden sich in Anisotropien des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Sie werden durch Dichtefluktuationen kalter dunkler Materie im fr\u00fchen Universum kurz vor der Rekombination etwa 380000 Jahre nach dem Urknall verursacht. Diese Fluktuationen auf der Skala von \u03bcK wurden von den satellitengest\u00fctzten Experimenten WMAP und Planck beobachtet und pr\u00e4zise gemessen. Die Fluktuationen verursachten akustische Schwingungen im interstellaren Plasma, die dann bei der Rekombination in ihrer Form eingefroren wurden. Die relative Gr\u00f6\u00dfe der akustischen Peaks dieses charakteristischen Schwingungsmusters erm\u00f6glicht die Berechnung der Zusammensetzung des Universums, die sich als 4,9 % baryonische Materie, 25,9 % Dunkle Materie und 69,2 % Dunkle Energie<\/a> herausstellt. <\/p>\n\n\n\n

<\/div>\n\n\n<\/jgu-base-heading>\n\n\n\n

Das XENONnT-Experiment ist der derzeit aktive Detektor der XENON-Experimentreihe, der zum Nachweis von WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) Dunkler Materie entwickelt wurde. Der Detektor ist eine sogenannte Zweiphasen-Zeitprojektionskammer, die das Edelgas Xenon als Detektionsmedium verwendet. <\/p>\n\n\n\n

Die XENON-Zeitprojektionskammer ist ein Zylinder, der gr\u00f6\u00dftenteils mit fl\u00fcssigem Xenon und einer Gasschicht oben gef\u00fcllt ist. Am Boden und an der Oberseite der Kammer sind Arrays von Lichtdetektoren, sogenannte Photomultiplier-R\u00f6hren, platziert. Mehrere Elektroden in der gesamten Zeitprojektionskammer erm\u00f6glichen das Anlegen eines elektrischen Feldes im Detektor. <\/p>\n\n\n\n \n<\/jgu-base-image>\n\n\n

Im Falle einer Wechselwirkung eines Teilchens, beispielsweise eines WIMPs, wird Energie durch elastische Streuung mit Xenon-Atomen in den Detektor eingebracht. Das Atom kann nun entweder angeregt oder w\u00e4hrend dieses Prozesses ionisiert werden. Die Relaxation der angeregten Zust\u00e4nde erzeugt ein Szintillationslichtsignal, das als S1 bezeichnet wird. Zwischen der Kathode (am Boden der Zeitprojektionskammer) und der Gate-Elektrode (an der Fl\u00fcssig-Gas-Grenzfl\u00e4che) wird ein elektrisches Feld angelegt, das die Elektronen von der Ionisation zur Fl\u00fcssigkeitsoberfl\u00e4che driftet. Zwischen dem Gate und der Anode (in der Gasphase) wird ein st\u00e4rkeres elektrisches Extraktionsfeld angelegt, das die Elektronen durch das Gas zieht, wo sie weitere Xenon-Atome anregen und ein sekund\u00e4res Szintillationslicht erzeugen, das als S2 bezeichnet wird. <\/p>\n\n\n\n

Aus dem Lichtmuster des S2-Signals in den Photomultiplier-R\u00f6hren und aus der Zeitdifferenz zwischen dem S1- und S2-Signal kann der Interaktionsort innerhalb des Detektors mit einer Genauigkeit in der Gr\u00f6\u00dfenordnung von Millimetern rekonstruiert werden. Dies erm\u00f6glicht eine starke Unterdr\u00fcckung des Hintergrunds, da Photonen und geladene Teilchen aufgrund der hervorragenden Abschirmeigenschaften von Xenon haupts\u00e4chlich in den \u00e4u\u00dferen Bereichen des Detektors wechselwirken. Dunkle Materie-Teilchen k\u00f6nnen jedoch leichter in die inneren Teile des Detektors gelangen und k\u00f6nnen daher von Hintergrundereignissen unterschieden werden. <\/p>\n<\/div><\/div>\n<\/jgu-base-section>\n\n\n

<\/div>\n\n\n<\/jgu-base-heading>\n\n\n\n

XENONnT<\/a> befindet sich im INFN Laboratori Nationali del Gran Sasso<\/a><\/em> (LNGS) unterhalb des Gran-Sasso-Massivs in Italien. Dadurch befinden sich 1400 m Gestein \u00fcber dem Experiment, welche eine Abschirmung gegen kosmische Strahlung bieten, wodurch der Fluss kosmischer Strahlung um eine Million reduziert wird. Eine zus\u00e4tzliche Hintergrundreduzierung wird durch ein aktives Veto-System in einem 700 m\u00b3-Wassertank erreicht, der den Detektor umgibt und verbleibende kosmische Myonen und Neutronen aus spontanen Spaltungsereignissen in der N\u00e4he des Detektors identifiziert. <\/p>\n\n\n\n \n<\/jgu-base-image><\/div><\/div>\n<\/jgu-base-section>\n\n\n

<\/div>\n\n\n<\/jgu-base-heading>\n\n\n\n

Die XENON-Gruppe aus Mainz leistet in verschiedenen Bereichen Beitr\u00e4ge zum Experiment. Dazu geh\u00f6ren Datenanalyseaufgaben sowie die Entwicklung neuartiger, innovativer Detektortechnologien. <\/p>\n\n\n\n

Mainz ist am Xenon-R\u00fcckgewinnungs- und Speichersystem (ReStoX) und am aktiven Veto-System beteiligt, das aus dem \u00e4u\u00dferen Myon- und dem inneren Neutronendetektor besteht, die als Myon-Veto<\/em> und Neutronen-Veto<\/em> bezeichnet werden. Das als Tscherenkow-Detektor betriebene Myon-Veto besteht aus 84 Photomultiplier-R\u00f6hren. Innerhalb des Myon-Vetos befindet sich das Neutronen-Veto<\/a>, das den Kryostaten mit der Zeitprojektionskammer umgibt. Das Neutronen-Veto hat ein Volumen von etwa 33 m\u00b3. Dieses Volumen ist durch hochreflektierende, expandierte Polytetrafluorethylen-Paneele optisch vom Myon-Veto getrennt und enth\u00e4lt 120 PMTs. <\/p>\n\n\n\n \n<\/jgu-base-image>\n\n\n

Es dient zum Nachweis radiogener Neutronen aus den Detektormaterialien, die WIMP-\u00e4hnliche Signale innerhalb der Zeitprojektionskammer vort\u00e4uschen k\u00f6nnen. Wie das Myon-Veto detektiert es die Tscherenkow-Strahlung schneller Elektronen, die aus der Compton-Streuung von Gammastrahlen stammen, die beim Einfangprozess von Neutronen entstehen. <\/p>\n\n\n\n

Um die Neutroneneinfangeffizienz zu erh\u00f6hen, wurde das Wasser im Jahr 2024 mit Gadoliniumsulfat-Octahydrat (GdSO) dotiert. Um die Einbringung zus\u00e4tzlicher Hintergrundstrahlung zu vermeiden, werden die Rohstoffe sorgf\u00e4ltig ausgew\u00e4hlt und das resultierende GdSO wird gescreent, um zu \u00fcberpr\u00fcfen, ob es eine geringe intrinsische Radioaktivit\u00e4t aufweist. Da dies ein teurer und zeitaufw\u00e4ndiger Prozess ist, wird das GdSO recycelt, falls der Wassertank entleert werden muss. Um dies zu erreichen, stellt Mainz derzeit (Sommer 2025) eine Filtrationsanlage auf Basis eines Nanofiltrationsverfahrens bereit, um die 700 m\u00b3 GdSO-L\u00f6sung auf etwa 12 m\u00b3 zu reduzieren – mit minimalen Verlusten an GdSO. Dieses System wird zusammen mit dem niederl\u00e4ndischen Unternehmen Lenntech Water Treatment Solutions entwickelt. <\/p>\n\n\n\n

Die Mainzer Gruppe entwickelte eine neuartige Kalibrierungsmethode unter Verwendung von 37<\/sup>Ar, die zuerst in XENON1T getestet und anschlie\u00dfend auch erfolgreich in XENONnT eingesetzt wurde. Dieses radioaktive Isotop zerf\u00e4llt bei einer sehr niedrigen Energie von 2,82 keV und bietet einen Kalibrierungspunkt nahe der unteren Nachweisschwelle des Detektors. Aufgrund des TRIGA<\/a>-Reaktors auf dem Universit\u00e4tscampus produziert und liefert Mainz weiterhin die Kalibrierungsquelle f\u00fcr XENONnT f\u00fcr zuk\u00fcnftige Kalibrierungskampagnen. <\/p>\n<\/div><\/div>\n<\/jgu-base-section>

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Astrophysikalische Beobachtungen deuten auf die Existenz von zwei Bestandteilen hin, die die Entwicklung des Universums dominieren: Dunkle Energie und Dunkle Materie. Dunkle Energie wird als einheitliches Energiefeld betrachtet, das die Expansion des Universums antreibt. Dunkle Materie k\u00f6nnte ein neues Teilchen oder eine andere neue Physik sein, die unser Verst\u00e4ndnis der Schwerkraft beeintr\u00e4chtigt. Die Analyse der … Weiter lesen<\/a><\/p>\n","protected":false},"author":2001,"featured_media":0,"parent":0,"menu_order":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":{"footnotes":""},"categories":[],"tags":[],"class_list":["post-10053","page","type-page","status-publish","hentry"],"content_raw":"\n\n\n\n\n\n\n\n\n

Astrophysikalische Beobachtungen deuten auf die Existenz von zwei Bestandteilen<\/em> hin, die die Entwicklung des Universums dominieren: Dunkle Energie und Dunkle Materie. Dunkle Energie wird als einheitliches Energiefeld betrachtet, das die Expansion des Universums antreibt. Dunkle Materie k\u00f6nnte ein neues Teilchen oder eine andere neue Physik sein, die unser Verst\u00e4ndnis der Schwerkraft beeintr\u00e4chtigt. <\/p>\n\n\n\n

Die Analyse der Galaxienbewegung in Galaxienhaufen deutete auf die Existenz unsichtbarer Materie hin; der erste Beweis f\u00fcr Dunkle Materie<\/em> von Fritz Zwicky in den 1930er Jahren<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

Die Beobachtung der Bewegung von Gaswolken und Sternen in (fernen) Galaxien zeigt Abweichungen von den erwarteten Geschwindigkeiten gem\u00e4\u00df dem Kepler-Gesetz und Galaxienmassensch\u00e4tzungen unter Verwendung der beobachtbaren, lichtemittierenden Materie. Die Orbitalgeschwindigkeiten bleiben nahezu konstant, anstatt mit zunehmender Entfernung vom Kern abzunehmen. Ein weiterer Hinweis auf die Existenz einer betr\u00e4chtlichen Menge unsichtbarer Materie, die sich weit \u00fcber die sichtbare Materie der Galaxie hinaus erstreckt. <\/p>\n\n\n\n

Weitere starke Hinweise finden sich in Anisotropien des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Sie werden durch Dichtefluktuationen kalter dunkler Materie im fr\u00fchen Universum kurz vor der Rekombination etwa 380000 Jahre nach dem Urknall verursacht. Diese Fluktuationen auf der Skala von \u03bcK wurden von den satellitengest\u00fctzten Experimenten WMAP und Planck beobachtet und pr\u00e4zise gemessen. Die Fluktuationen verursachten akustische Schwingungen im interstellaren Plasma, die dann bei der Rekombination in ihrer Form eingefroren wurden. Die relative Gr\u00f6\u00dfe der akustischen Peaks dieses charakteristischen Schwingungsmusters erm\u00f6glicht die Berechnung der Zusammensetzung des Universums, die sich als 4,9 % baryonische Materie, 25,9 % Dunkle Materie und 69,2 % Dunkle Energie<\/a> herausstellt. <\/p>\n\n\n\n

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Das XENONnT-Experiment ist der derzeit aktive Detektor der XENON-Experimentreihe, der zum Nachweis von WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) Dunkler Materie entwickelt wurde. Der Detektor ist eine sogenannte Zweiphasen-Zeitprojektionskammer, die das Edelgas Xenon als Detektionsmedium verwendet. <\/p>\n\n\n\n

Die XENON-Zeitprojektionskammer ist ein Zylinder, der gr\u00f6\u00dftenteils mit fl\u00fcssigem Xenon und einer Gasschicht oben gef\u00fcllt ist. Am Boden und an der Oberseite der Kammer sind Arrays von Lichtdetektoren, sogenannte Photomultiplier-R\u00f6hren, platziert. Mehrere Elektroden in der gesamten Zeitprojektionskammer erm\u00f6glichen das Anlegen eines elektrischen Feldes im Detektor. <\/p>\n\n\n\n\n\n

Im Falle einer Wechselwirkung eines Teilchens, beispielsweise eines WIMPs, wird Energie durch elastische Streuung mit Xenon-Atomen in den Detektor eingebracht. Das Atom kann nun entweder angeregt oder w\u00e4hrend dieses Prozesses ionisiert werden. Die Relaxation der angeregten Zust\u00e4nde erzeugt ein Szintillationslichtsignal, das als S1 bezeichnet wird. Zwischen der Kathode (am Boden der Zeitprojektionskammer) und der Gate-Elektrode (an der Fl\u00fcssig-Gas-Grenzfl\u00e4che) wird ein elektrisches Feld angelegt, das die Elektronen von der Ionisation zur Fl\u00fcssigkeitsoberfl\u00e4che driftet. Zwischen dem Gate und der Anode (in der Gasphase) wird ein st\u00e4rkeres elektrisches Extraktionsfeld angelegt, das die Elektronen durch das Gas zieht, wo sie weitere Xenon-Atome anregen und ein sekund\u00e4res Szintillationslicht erzeugen, das als S2 bezeichnet wird. <\/p>\n\n\n\n

Aus dem Lichtmuster des S2-Signals in den Photomultiplier-R\u00f6hren und aus der Zeitdifferenz zwischen dem S1- und S2-Signal kann der Interaktionsort innerhalb des Detektors mit einer Genauigkeit in der Gr\u00f6\u00dfenordnung von Millimetern rekonstruiert werden. Dies erm\u00f6glicht eine starke Unterdr\u00fcckung des Hintergrunds, da Photonen und geladene Teilchen aufgrund der hervorragenden Abschirmeigenschaften von Xenon haupts\u00e4chlich in den \u00e4u\u00dferen Bereichen des Detektors wechselwirken. Dunkle Materie-Teilchen k\u00f6nnen jedoch leichter in die inneren Teile des Detektors gelangen und k\u00f6nnen daher von Hintergrundereignissen unterschieden werden. <\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n\n

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XENONnT<\/a> befindet sich im INFN Laboratori Nationali del Gran Sasso<\/a><\/em> (LNGS) unterhalb des Gran-Sasso-Massivs in Italien. Dadurch befinden sich 1400 m Gestein \u00fcber dem Experiment, welche eine Abschirmung gegen kosmische Strahlung bieten, wodurch der Fluss kosmischer Strahlung um eine Million reduziert wird. Eine zus\u00e4tzliche Hintergrundreduzierung wird durch ein aktives Veto-System in einem 700 m\u00b3-Wassertank erreicht, der den Detektor umgibt und verbleibende kosmische Myonen und Neutronen aus spontanen Spaltungsereignissen in der N\u00e4he des Detektors identifiziert. <\/p>\n\n\n<\/div><\/div>\n\n\n\n

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Die XENON-Gruppe aus Mainz leistet in verschiedenen Bereichen Beitr\u00e4ge zum Experiment. Dazu geh\u00f6ren Datenanalyseaufgaben sowie die Entwicklung neuartiger, innovativer Detektortechnologien. <\/p>\n\n\n\n

Mainz ist am Xenon-R\u00fcckgewinnungs- und Speichersystem (ReStoX) und am aktiven Veto-System beteiligt, das aus dem \u00e4u\u00dferen Myon- und dem inneren Neutronendetektor besteht, die als Myon-Veto<\/em> und Neutronen-Veto<\/em> bezeichnet werden. Das als Tscherenkow-Detektor betriebene Myon-Veto besteht aus 84 Photomultiplier-R\u00f6hren. Innerhalb des Myon-Vetos befindet sich das Neutronen-Veto<\/a>, das den Kryostaten mit der Zeitprojektionskammer umgibt. Das Neutronen-Veto hat ein Volumen von etwa 33 m\u00b3. Dieses Volumen ist durch hochreflektierende, expandierte Polytetrafluorethylen-Paneele optisch vom Myon-Veto getrennt und enth\u00e4lt 120 PMTs. <\/p>\n\n\n\n\n\n

Es dient zum Nachweis radiogener Neutronen aus den Detektormaterialien, die WIMP-\u00e4hnliche Signale innerhalb der Zeitprojektionskammer vort\u00e4uschen k\u00f6nnen. Wie das Myon-Veto detektiert es die Tscherenkow-Strahlung schneller Elektronen, die aus der Compton-Streuung von Gammastrahlen stammen, die beim Einfangprozess von Neutronen entstehen. <\/p>\n\n\n\n

Um die Neutroneneinfangeffizienz zu erh\u00f6hen, wurde das Wasser im Jahr 2024 mit Gadoliniumsulfat-Octahydrat (GdSO) dotiert. Um die Einbringung zus\u00e4tzlicher Hintergrundstrahlung zu vermeiden, werden die Rohstoffe sorgf\u00e4ltig ausgew\u00e4hlt und das resultierende GdSO wird gescreent, um zu \u00fcberpr\u00fcfen, ob es eine geringe intrinsische Radioaktivit\u00e4t aufweist. Da dies ein teurer und zeitaufw\u00e4ndiger Prozess ist, wird das GdSO recycelt, falls der Wassertank entleert werden muss. Um dies zu erreichen, stellt Mainz derzeit (Sommer 2025) eine Filtrationsanlage auf Basis eines Nanofiltrationsverfahrens bereit, um die 700 m\u00b3 GdSO-L\u00f6sung auf etwa 12 m\u00b3 zu reduzieren - mit minimalen Verlusten an GdSO. Dieses System wird zusammen mit dem niederl\u00e4ndischen Unternehmen Lenntech Water Treatment Solutions entwickelt. <\/p>\n\n\n\n

Die Mainzer Gruppe entwickelte eine neuartige Kalibrierungsmethode unter Verwendung von 37<\/sup>Ar, die zuerst in XENON1T getestet und anschlie\u00dfend auch erfolgreich in XENONnT eingesetzt wurde. Dieses radioaktive Isotop zerf\u00e4llt bei einer sehr niedrigen Energie von 2,82 keV und bietet einen Kalibrierungspunkt nahe der unteren Nachweisschwelle des Detektors. Aufgrund des TRIGA<\/a>-Reaktors auf dem Universit\u00e4tscampus produziert und liefert Mainz weiterhin die Kalibrierungsquelle f\u00fcr XENONnT f\u00fcr zuk\u00fcnftige Kalibrierungskampagnen. <\/p>\n<\/div><\/div>\n","_links":{"self":[{"href":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/10053","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/pages"}],"about":[{"href":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/page"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/2001"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=10053"}],"version-history":[{"count":4,"href":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/10053\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":10075,"href":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/10053\/revisions\/10075"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=10053"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=10053"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/xenon.physik.uni-mainz.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=10053"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}