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 könnte ein neues Teilchen oder eine andere neue Physik sein, die unser Verständnis der Schwerkraft beeinträchtigt.
Die Analyse der Galaxienbewegung in Galaxienhaufen deutete auf die Existenz unsichtbarer Materie hin; der erste Beweis für Dunkle Materie von Fritz Zwicky in den 1930er Jahren.
Die Beobachtung der Bewegung von Gaswolken und Sternen in (fernen) Galaxien zeigt Abweichungen von den erwarteten Geschwindigkeiten gemäß dem Kepler-Gesetz und Galaxienmassenschätzungen 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 beträchtlichen Menge unsichtbarer Materie, die sich weit über die sichtbare Materie der Galaxie hinaus erstreckt.
Weitere starke Hinweise finden sich in Anisotropien des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Sie werden durch Dichtefluktuationen kalter dunkler Materie im frühen Universum kurz vor der Rekombination etwa 380000 Jahre nach dem Urknall verursacht. Diese Fluktuationen auf der Skala von μK wurden von den satellitengestützten Experimenten WMAP und Planck beobachtet und präzise gemessen. Die Fluktuationen verursachten akustische Schwingungen im interstellaren Plasma, die dann bei der Rekombination in ihrer Form eingefroren wurden. Die relative Größe der akustischen Peaks dieses charakteristischen Schwingungsmusters ermöglicht die Berechnung der Zusammensetzung des Universums, die sich als 4,9 % baryonische Materie, 25,9 % Dunkle Materie und 69,2 % Dunkle Energie herausstellt.
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.
Die XENON-Zeitprojektionskammer ist ein Zylinder, der größtenteils mit flüssigem Xenon und einer Gasschicht oben gefüllt ist. Am Boden und an der Oberseite der Kammer sind Arrays von Lichtdetektoren, sogenannte Photomultiplier-Röhren, platziert. Mehrere Elektroden in der gesamten Zeitprojektionskammer ermöglichen das Anlegen eines elektrischen Feldes im Detektor.
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 während dieses Prozesses ionisiert werden. Die Relaxation der angeregten Zustände erzeugt ein Szintillationslichtsignal, das als S1 bezeichnet wird. Zwischen der Kathode (am Boden der Zeitprojektionskammer) und der Gate-Elektrode (an der Flüssig-Gas-Grenzfläche) wird ein elektrisches Feld angelegt, das die Elektronen von der Ionisation zur Flüssigkeitsoberfläche driftet. Zwischen dem Gate und der Anode (in der Gasphase) wird ein stärkeres elektrisches Extraktionsfeld angelegt, das die Elektronen durch das Gas zieht, wo sie weitere Xenon-Atome anregen und ein sekundäres Szintillationslicht erzeugen, das als S2 bezeichnet wird.
Aus dem Lichtmuster des S2-Signals in den Photomultiplier-Röhren und aus der Zeitdifferenz zwischen dem S1- und S2-Signal kann der Interaktionsort innerhalb des Detektors mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von Millimetern rekonstruiert werden. Dies ermöglicht eine starke Unterdrückung des Hintergrunds, da Photonen und geladene Teilchen aufgrund der hervorragenden Abschirmeigenschaften von Xenon hauptsächlich in den äußeren Bereichen des Detektors wechselwirken. Dunkle Materie-Teilchen können jedoch leichter in die inneren Teile des Detektors gelangen und können daher von Hintergrundereignissen unterschieden werden.
XENONnT befindet sich im INFN Laboratori Nationali del Gran Sasso (LNGS) unterhalb des Gran-Sasso-Massivs in Italien. Dadurch befinden sich 1400 m Gestein über dem Experiment, welche eine Abschirmung gegen kosmische Strahlung bieten, wodurch der Fluss kosmischer Strahlung um eine Million reduziert wird. Eine zusätzliche Hintergrundreduzierung wird durch ein aktives Veto-System in einem 700 m³-Wassertank erreicht, der den Detektor umgibt und verbleibende kosmische Myonen und Neutronen aus spontanen Spaltungsereignissen in der Nähe des Detektors identifiziert.
Die XENON-Gruppe aus Mainz leistet in verschiedenen Bereichen Beiträge zum Experiment. Dazu gehören Datenanalyseaufgaben sowie die Entwicklung neuartiger, innovativer Detektortechnologien.
Mainz ist am Xenon-Rückgewinnungs- und Speichersystem (ReStoX) und am aktiven Veto-System beteiligt, das aus dem äußeren Myon- und dem inneren Neutronendetektor besteht, die als Myon-Veto und Neutronen-Veto bezeichnet werden. Das als Tscherenkow-Detektor betriebene Myon-Veto besteht aus 84 Photomultiplier-Röhren. Innerhalb des Myon-Vetos befindet sich das Neutronen-Veto, das den Kryostaten mit der Zeitprojektionskammer umgibt. Das Neutronen-Veto hat ein Volumen von etwa 33 m³. Dieses Volumen ist durch hochreflektierende, expandierte Polytetrafluorethylen-Paneele optisch vom Myon-Veto getrennt und enthält 120 PMTs.
Es dient zum Nachweis radiogener Neutronen aus den Detektormaterialien, die WIMP-ähnliche Signale innerhalb der Zeitprojektionskammer vortäuschen können. 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.
Um die Neutroneneinfangeffizienz zu erhöhen, wurde das Wasser im Jahr 2024 mit Gadoliniumsulfat-Octahydrat (GdSO) dotiert. Um die Einbringung zusätzlicher Hintergrundstrahlung zu vermeiden, werden die Rohstoffe sorgfältig ausgewählt und das resultierende GdSO wird gescreent, um zu überprüfen, ob es eine geringe intrinsische Radioaktivität aufweist. Da dies ein teurer und zeitaufwändiger 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 m³ GdSO-Lösung auf etwa 12 m³ zu reduzieren – mit minimalen Verlusten an GdSO. Dieses System wird zusammen mit dem niederländischen Unternehmen Lenntech Water Treatment Solutions entwickelt.
Die Mainzer Gruppe entwickelte eine neuartige Kalibrierungsmethode unter Verwendung von 37Ar, die zuerst in XENON1T getestet und anschließend auch erfolgreich in XENONnT eingesetzt wurde. Dieses radioaktive Isotop zerfällt bei einer sehr niedrigen Energie von 2,82 keV und bietet einen Kalibrierungspunkt nahe der unteren Nachweisschwelle des Detektors. Aufgrund des TRIGA-Reaktors auf dem Universitätscampus produziert und liefert Mainz weiterhin die Kalibrierungsquelle für XENONnT für zukünftige Kalibrierungskampagnen.
