XENON Dark Matter Project: Unterschied zwischen den Versionen

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== Funktionsweise ==
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Der Detektor ist eine Zwei-Phasen-[[Zeitprojektionskammer]] (dual phase time projection chamber, TPC) mit flüssigem [[Xenon]] (LXe) als Detektormaterial und gasförmigen (GXe) Xenon am oberen Rand des Detektors. Flüssiges Xenon eignet sich besonders gut für die Suche nach WIMPs, weil es sowohl hohe Dichte (3&nbsp;g/cm<sup>3</sup>) als auch hohe Ordnungszahl (Z&nbsp;=&nbsp;54) besitzt. Am oberen und am unteren Rand des Detektors sind [[Photomultiplier]] (PMTs) angeordnet. Bei einer Wechselwirkung eines Teilchens mit Xenon entsteht [[Szintillator|Szintillation]] und [[Ionisation]]. Das prompte Szintillationslicht wird von den PMTs detektiert (primäres Szintillationslicht, S1-Signal). Die freien Ladungen aus der Ionisation driften aufgrund eines elektrischen Feldes zur Oberfläche des flüssigen Xenons. Treten sie in die gasförmige Phase ein, erzeugen sie ebenfalls Szintillationslicht, welches von den PMTs detektiert wird (sekundäres Szintillationslicht, S2-Signal).  
Der Detektor ist eine Zwei-Phasen-[[Zeitprojektionskammer]] (dual phase time projection chamber, TPC) mit flüssigem [[Xenon]] (LXe) als Detektormaterial und gasförmigem (GXe) Xenon am oberen Rand des Detektors. Flüssiges Xenon eignet sich besonders gut für die Suche nach WIMPs, weil es sowohl hohe Dichte (3&nbsp;g/cm<sup>3</sup>) als auch hohe Ordnungszahl (Z&nbsp;=&nbsp;54) besitzt. Am oberen und am unteren Rand des Detektors sind [[Photomultiplier]] (PMTs) angeordnet. Bei einer Wechselwirkung eines Teilchens mit Xenon entsteht [[Szintillator|Szintillation]] und [[Ionisation]]. Das prompte Szintillationslicht wird von den PMTs detektiert (primäres Szintillationslicht, S1-Signal). Die freien Ladungen aus der Ionisation driften aufgrund eines elektrischen Feldes zur Oberfläche des flüssigen Xenons. Treten sie in die gasförmige Phase ein, erzeugen sie ebenfalls Szintillationslicht, welches von den PMTs detektiert wird (sekundäres Szintillationslicht, S2-Signal).


Aus der Zeitdifferenz zwischen dem S1- und dem S2-Signal und aus dem Muster, mit der das sekundäre Szintillationslicht auf die oberen PMTs fällt, kann die Position des Wechselwirkungspunktes bestimmt werden. Dadurch lassen sich Events im Zentrum des Detektors auswählen und Hintergrund unterdrücken (der vermehrt am Rand des Detektors auftritt). Das Verhältnis der Größe von S2-Signal und S1-Signal gibt Aufschluss über die Natur des Ereignisses. Da WIMPs elektrisch neutral sind, würden sie vor allem mit einem Xenonkern wechselwirken. Das Verhältnis der Größe von S2-Signal und S1-Signal ist bei diesen Events kleiner, als bei Teilchen, die mit der Elektronenhülle der Xenonatome wechselwirken würden ([[Gammastrahlung]] oder [[Elektron]]en). Dadurch können Untergrundevents herausgefiltert werden.<ref>{{cite journal|last=E. Aprile et al. (The XENON100 Collaboration)|title=The XENON100 Dark Matter Experiment|journal=Astropart. Phys.|year=(2012)|volume=35|issue=537-590|arxiv=1107.2155}}</ref>
Aus der Zeitdifferenz zwischen dem S1- und dem S2-Signal und aus dem Muster, mit der das sekundäre Szintillationslicht auf die oberen PMTs fällt, kann die Position des Wechselwirkungspunktes bestimmt werden. Dadurch lassen sich Events im Zentrum des Detektors auswählen und Hintergrund unterdrücken (der vermehrt am Rand des Detektors auftritt). Das Verhältnis der Größe von S2-Signal und S1-Signal gibt Aufschluss über die Natur des Ereignisses. Da WIMPs elektrisch neutral sind, würden sie vor allem mit einem Xenonkern wechselwirken. Das Verhältnis der Größe von S2-Signal und S1-Signal ist bei diesen Events kleiner, als bei Teilchen, die mit der Elektronenhülle der Xenonatome wechselwirken würden ([[Gammastrahlung]] oder [[Elektron]]en). Dadurch können Untergrundevents herausgefiltert werden.<ref>{{cite journal|last=E. Aprile et al. |title=The XENON100 Dark Matter Experiment|journal=Astropart. Phys.|year=(2012)|volume=35|issue=537–590|arxiv=1107.2155}}</ref>


== Phasen ==
== Phasen ==
=== XENON10 ===
=== XENON10 ===
In der ersten Phase '''XENON10''' wurden 15&nbsp;kg flüssiges [[Xenon]] verwendet. Der Aufbau von XENON10 wurde im März 2006 begonnen; die ersten Experimente starteten im Oktober 2007. In dieser Phase konnte kein Nachweis für WIMPs erbracht werden; der [[Wirkungsquerschnitt]] liegt damit unter 9&nbsp;×&nbsp;10<sup>−44</sup>&nbsp;cm<sup>2</sup> für eine angenommene Teilchenmasse von 30&nbsp;GeV/c<sup>2</sup>.
In der ersten Phase '''XENON10''' wurden 15&nbsp;kg flüssiges [[Xenon]] verwendet. Der Aufbau von XENON10 wurde im März 2006 begonnen; die ersten Experimente starteten im Oktober 2006. In dieser Phase konnte kein Nachweis für WIMPs erbracht werden; der [[Wirkungsquerschnitt]] liegt damit unter 9&nbsp;×&nbsp;10<sup>−44</sup>&nbsp;cm<sup>2</sup> für eine angenommene Teilchenmasse von 30&nbsp;GeV/c<sup>2</sup>.


=== XENON100 ===
=== XENON100 ===
[[Datei:ShieldandCryostatXENON100.jpg|mini|200px|Innerer Kryostat und Abschirmung von XENON100]]
[[Datei:ShieldandCryostatXENON100.jpg|mini|200px|Innerer Kryostat und Abschirmung von XENON100]]
[[Datei:TopPMTArray.jpg|mini|200px|alt=Top PMT Array of XENON100| Oberer PMT array von XENON100 mit 98 Hamamatsu R8520-06-A1 [[Photomultiplier|PMTs]]. Die PMTs sind radial angeordnet.]]
[[Datei:TopPMTArray.jpg|mini|200px|alt=Top PMT Array of XENON100| Oberer PMT array von XENON100 mit 98 Hamamatsu R8520-06-A1 [[Photomultiplier|PMTs]]. Die PMTs sind radial angeordnet.]]
[[Datei:BottomPMTArray.jpg|100px|mini|200px|alt=Bottom PMT Array of XENON100|Unterer PMT array von XENON100 mit 80 PMTs. Die PMTs sind so angeordnet, dass die eine möglichst große Fläche abdecken.]]
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In der zweiten Phase '''XENON100''' werden daher 150&nbsp;kg flüssiges Xenon verwendet, was eine etwa 50-mal höhere Sensitivität ergibt. Der Detektor wurde im Februar 2008 in Betrieb genommen. Das im Juli 2012 veröffentlichte Limit ist mit 2&nbsp;×&nbsp;10<sup>−45</sup>&nbsp;cm<sup>2</sup> für WIMP-Massen von 55 GeV/c<sup>2</sup> bei 90 % confidence level das zurzeit stärkste Limit auf den WIMP-Nukleon Wirkungsquerschnitt.<ref>{{cite journal|last=E. Aprile et al. (The XENON100 Collaboration)|title=Dark Matter Results from 225 Live Days of XENON100 Data|journal=Phys. Rev. Lett.|year=(2012)|volume=109|issue=181301|arxiv=1207.5988 }} </ref>
In der zweiten Phase '''XENON100''' werden daher 150&nbsp;kg flüssiges Xenon verwendet, was eine etwa 50-mal höhere Sensitivität ergibt. Der Detektor wurde im Februar 2008 in Betrieb genommen. Das im Juli 2012 veröffentlichte Limit ist mit 2&nbsp;×&nbsp;10<sup>−45</sup>&nbsp;cm<sup>2</sup> für WIMP-Massen von 55 GeV/c<sup>2</sup> bei 90 % confidence level das zurzeit stärkste Limit auf den WIMP-Nukleon Wirkungsquerschnitt.<ref>{{cite journal|author=E. Aprile et al.|title=Dark Matter Results from 225 Live Days of XENON100 Data|journal=Phys. Rev. Lett.|year=(2012)|volume=109|issue=181301|arxiv=1207.5988}}</ref>


=== XENON1T ===
=== XENON1T ===
Von Mitte 2013 bis November 2015 wurde das Folgeprojekt '''XENON1T''' aufgebaut.<ref>[https://idw-online.de/de/news641166 Neues Kapitel bei der Suche nach Dunkler Materie] Pressemitteilung der Eröffnung, abgerufen am 14.&nbsp;Mai&nbsp;2017.</ref> Hier sind 3500&nbsp;kg flüssiges Xenon im Einsatz, von denen die inneren 2000&nbsp;kg der Suche nach dunkler Materie dienen. Mit dem Experiment soll der untersuchte Parameterraum bis zu einem Streuquerschnitt von 2&nbsp;×&nbsp;10<sup>−47</sup>&nbsp;cm<sup>2</sup> bei einer WIMP Masse von 100 GeV/c<sup>2</sup> ausgedehnt werden. Im Mai 2017 wurden erste Ergebnisse veröffentlicht, basierend auf Detektordaten von November 2016 bis Januar 2017. Es wurde kein Signal dunkler Materie gefunden, die gesetzten Ausschlussgrenzen sind besser als die besten vorherigen Grenzen von [[Large Underground Xenon experiment|LUX]].<ref>XENON1T-Kollaboration: [https://arxiv.org/abs/1705.06655 First Dark Matter Search Results from the XENON1T Experiment]</ref><ref>{{cite news|url=http://www.space.com/36991-most-sensitive-dark-matter-detector-online.html|title=The World's Most Sensitive Dark Matter Detector Is Now Up and Running|date=2017-05-24|accessdate=2017-05-25}}</ref>
Von Mitte 2013 bis November 2015 wurde das Folgeprojekt '''XENON1T''' aufgebaut.<ref>[https://idw-online.de/de/news641166 ''Neues Kapitel bei der Suche nach Dunkler Materie''] Pressemitteilung der Eröffnung, abgerufen am 14.&nbsp;Mai&nbsp;2017.</ref> Hier sind 3500&nbsp;kg flüssiges Xenon im Einsatz, von denen die inneren 2000&nbsp;kg der Suche nach dunkler Materie dienen. Mit dem Experiment soll der untersuchte Parameterraum bis zu einem Streuquerschnitt von 2&nbsp;×&nbsp;10<sup>−47</sup>&nbsp;cm<sup>2</sup> bei einer WIMP Masse von 100 GeV/c<sup>2</sup> ausgedehnt werden. Im Mai 2017 wurden erste Ergebnisse veröffentlicht, basierend auf Detektordaten von November 2016 bis Januar 2017. Es wurde kein Signal dunkler Materie gefunden, die gesetzten Ausschlussgrenzen sind besser als die besten vorherigen Grenzen von [[Large Underground Xenon experiment|LUX]].<ref>{{Literatur |Hrsg=XENON Collaboration |Titel=First Dark Matter Search Results from the XENON1T Experiment |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=119 |Nummer=18 |Datum=2017-10-30 |Seiten= |arXiv=1705.06655 |DOI=10.1103/PhysRevLett.119.181301}}</ref><ref>{{cite news|url=http://www.space.com/36991-most-sensitive-dark-matter-detector-online.html|title=The World’s Most Sensitive Dark Matter Detector Is Now Up and Running|date=2017-05-24|accessdate=2017-05-25}}</ref>
 
Am 17. Juni 2020 wurde in einer Pressemitteilung ein noch nicht vollständig erklärter Überschuss in der Zählrate des Detektors mitgeteilt.<ref name="home">[http://www.xenon1t.org/ ''Observation of Excess Events in the XENON1T Dark Matter Experiment'']</ref> Mit einer Wahrscheinlichkeit von 3,5 sigma kann dieser Überschuss durch [[Sonne|solare]] [[Axion]]en, einem möglichen Kandidaten für die Dunkle Materie, erklärt werden. Mehr Klarheit erhofft man sich in einer Erweiterung des Experimentes u.&nbsp;a. durch eine Erhöhung der Xenonmenge auf 8300&nbsp;kg. Das so erweiterte Experiment trägt die Bezeichnung XENONnT.<ref name="home" />


== Beteiligte Universitäten und Laboratorien ==
== Beteiligte Universitäten und Laboratorien ==
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=== XENON1T ===
=== XENON1T ===
[[Datei:XENON1T.png|mini|Obere Grenze für spinunabhängigen WIMP-Nukleon Wirkungsquerschnitt aus den bisherigen (Nov. 2017) Daten des XENON1T Experiments]]
* [[University of Columbia]], USA
* [[University of Columbia]], USA
* [[Rice University]], USA
* [[Rice University]], USA
* [[Universität Zürich]], Schweiz
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* [[Laboratori Nazionali del Gran Sasso]], Italien
* [[Laboratori Nazionali del Gran Sasso]], Italien
* [[Universität Bologna]], Italien
* [[Universität Bologna]], Italien
* [[Universität Coimbra]], Portugal
* [[Universität Coimbra]], Portugal
* [[University of California]], USA
* [[University of California, Los Angeles]], USA
* [[University of California, San Diego]], USA
* [[Purdue University]], USA
* [[Purdue University]], USA
* [[Weizmann-Institut für Wissenschaften]], Israel
* [[Weizmann-Institut für Wissenschaften]], Israel
* [[NIKHEF]], Niederlande
* [[NIKHEF]], Niederlande
* [[SubaTech]], Frankreich
* [[SubaTech]], Frankreich
* [[Laboratoire de l'accélérateur linéaire|LAL]], [[Institut national de physique nucléaire et de physique des particules|IN2P3]], Orsay, Frankreich
* [[Westfälische Wilhelms-Universität Münster]], Deutschland
* [[Westfälische Wilhelms-Universität Münster]], Deutschland
* [[Albert-Ludwigs-Universität Freiburg]], Deutschland
* [[Max-Planck-Institut für Kernphysik]], Deutschland
* [[Max-Planck-Institut für Kernphysik]], Deutschland
* [[Johannes Gutenberg-Universität Mainz]], Deutschland
* [[Johannes Gutenberg-Universität Mainz]], Deutschland


== Siehe auch ==
== Siehe auch ==
Weitere große Experimente zur Suche nach Dunkler Materie in den 2000er Jahren sind z.B. das [[Soudan Underground Laboratory|SuperCDMS Experiment]] in Sudbury oder [[EDELWEISS]] im Frejus Tunnel.
Weitere große Experimente zur Suche nach Dunkler Materie in den 2000er Jahren sind z.&nbsp;B. das [[Soudan Underground Laboratory|SuperCDMS Experiment]] in Sudbury oder [[EDELWEISS]] im Frejus-Tunnel.


== Weblinks ==
== Weblinks ==
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[[Kategorie:Kern- und Teilchenphysikexperiment]]
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[[Kategorie:Bildung und Forschung in den Abruzzen]]
[[Kategorie:Bildung und Forschung in den Abruzzen]]
[[Kategorie:Internationales Forschungsprojekt]]
[[Kategorie:Internationales Forschungsprojekt]]

Aktuelle Version vom 7. Mai 2021, 05:09 Uhr

Koordinaten: 42° 25′ 14″ N, 13° 30′ 59,1″ O Das {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value) ist ein Experiment zur Suche nach WIMPs, einer Variante der Dunklen Materie. Das Experiment ist im Gran-Sasso-Untergrundlabor aufgebaut. An XENON sind mehrere Universitäten und Laboratorien weltweit beteiligt. Die wissenschaftliche Kollaboration wird seit 2002 von Elena Aprile (Columbia University)[1] geleitet.

Funktionsweise

Skizze zur Funktionsweise einer Xenon dual-phase TPC

Der Detektor ist eine Zwei-Phasen-Zeitprojektionskammer (dual phase time projection chamber, TPC) mit flüssigem Xenon (LXe) als Detektormaterial und gasförmigem (GXe) Xenon am oberen Rand des Detektors. Flüssiges Xenon eignet sich besonders gut für die Suche nach WIMPs, weil es sowohl hohe Dichte (3 g/cm3) als auch hohe Ordnungszahl (Z = 54) besitzt. Am oberen und am unteren Rand des Detektors sind Photomultiplier (PMTs) angeordnet. Bei einer Wechselwirkung eines Teilchens mit Xenon entsteht Szintillation und Ionisation. Das prompte Szintillationslicht wird von den PMTs detektiert (primäres Szintillationslicht, S1-Signal). Die freien Ladungen aus der Ionisation driften aufgrund eines elektrischen Feldes zur Oberfläche des flüssigen Xenons. Treten sie in die gasförmige Phase ein, erzeugen sie ebenfalls Szintillationslicht, welches von den PMTs detektiert wird (sekundäres Szintillationslicht, S2-Signal).

Aus der Zeitdifferenz zwischen dem S1- und dem S2-Signal und aus dem Muster, mit der das sekundäre Szintillationslicht auf die oberen PMTs fällt, kann die Position des Wechselwirkungspunktes bestimmt werden. Dadurch lassen sich Events im Zentrum des Detektors auswählen und Hintergrund unterdrücken (der vermehrt am Rand des Detektors auftritt). Das Verhältnis der Größe von S2-Signal und S1-Signal gibt Aufschluss über die Natur des Ereignisses. Da WIMPs elektrisch neutral sind, würden sie vor allem mit einem Xenonkern wechselwirken. Das Verhältnis der Größe von S2-Signal und S1-Signal ist bei diesen Events kleiner, als bei Teilchen, die mit der Elektronenhülle der Xenonatome wechselwirken würden (Gammastrahlung oder Elektronen). Dadurch können Untergrundevents herausgefiltert werden.[2]

Phasen

XENON10

In der ersten Phase XENON10 wurden 15 kg flüssiges Xenon verwendet. Der Aufbau von XENON10 wurde im März 2006 begonnen; die ersten Experimente starteten im Oktober 2006. In dieser Phase konnte kein Nachweis für WIMPs erbracht werden; der Wirkungsquerschnitt liegt damit unter 9 × 10−44 cm2 für eine angenommene Teilchenmasse von 30 GeV/c2.

XENON100

Innerer Kryostat und Abschirmung von XENON100
Top PMT Array of XENON100
Oberer PMT array von XENON100 mit 98 Hamamatsu R8520-06-A1 PMTs. Die PMTs sind radial angeordnet.
Bottom PMT Array of XENON100
Unterer PMT array von XENON100 mit 80 PMTs. Die PMTs sind so angeordnet, dass die eine möglichst große Fläche abdecken.

In der zweiten Phase XENON100 werden daher 150 kg flüssiges Xenon verwendet, was eine etwa 50-mal höhere Sensitivität ergibt. Der Detektor wurde im Februar 2008 in Betrieb genommen. Das im Juli 2012 veröffentlichte Limit ist mit 2 × 10−45 cm2 für WIMP-Massen von 55 GeV/c2 bei 90 % confidence level das zurzeit stärkste Limit auf den WIMP-Nukleon Wirkungsquerschnitt.[3]

XENON1T

Von Mitte 2013 bis November 2015 wurde das Folgeprojekt XENON1T aufgebaut.[4] Hier sind 3500 kg flüssiges Xenon im Einsatz, von denen die inneren 2000 kg der Suche nach dunkler Materie dienen. Mit dem Experiment soll der untersuchte Parameterraum bis zu einem Streuquerschnitt von 2 × 10−47 cm2 bei einer WIMP Masse von 100 GeV/c2 ausgedehnt werden. Im Mai 2017 wurden erste Ergebnisse veröffentlicht, basierend auf Detektordaten von November 2016 bis Januar 2017. Es wurde kein Signal dunkler Materie gefunden, die gesetzten Ausschlussgrenzen sind besser als die besten vorherigen Grenzen von LUX.[5][6]

Am 17. Juni 2020 wurde in einer Pressemitteilung ein noch nicht vollständig erklärter Überschuss in der Zählrate des Detektors mitgeteilt.[7] Mit einer Wahrscheinlichkeit von 3,5 sigma kann dieser Überschuss durch solare Axionen, einem möglichen Kandidaten für die Dunkle Materie, erklärt werden. Mehr Klarheit erhofft man sich in einer Erweiterung des Experimentes u. a. durch eine Erhöhung der Xenonmenge auf 8300 kg. Das so erweiterte Experiment trägt die Bezeichnung XENONnT.[7]

Beteiligte Universitäten und Laboratorien

XENON10

XENON100

  • University of Columbia, USA
  • Rice University, USA
  • Universität Zürich, Schweiz
  • Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italien
  • Universität Coimbra, Portugal
  • University of California, USA
  • Purdue University, USA
  • Weizmann-Institut für Wissenschaften, Israel
  • NIKHEF, Niederlande
  • SubaTech, Frankreich
  • Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Deutschland
  • Max-Planck-Institut für Kernphysik, Deutschland
  • Jiaotong-Universität Shanghai, China
  • Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Deutschland

XENON1T

Obere Grenze für spinunabhängigen WIMP-Nukleon Wirkungsquerschnitt aus den bisherigen (Nov. 2017) Daten des XENON1T Experiments
  • University of Columbia, USA
  • Rice University, USA
  • Universität Zürich, Schweiz
  • Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italien
  • Universität Bologna, Italien
  • Universität Coimbra, Portugal
  • University of California, Los Angeles, USA
  • University of California, San Diego, USA
  • Purdue University, USA
  • Weizmann-Institut für Wissenschaften, Israel
  • NIKHEF, Niederlande
  • SubaTech, Frankreich
  • LAL, IN2P3, Orsay, Frankreich
  • Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Deutschland
  • Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Deutschland
  • Max-Planck-Institut für Kernphysik, Deutschland
  • Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Deutschland

Siehe auch

Weitere große Experimente zur Suche nach Dunkler Materie in den 2000er Jahren sind z. B. das SuperCDMS Experiment in Sudbury oder EDELWEISS im Frejus-Tunnel.

Weblinks

Commons: XENON Dark Matter Project – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ↑ Homepage
  2. ↑ E. Aprile et al.: The XENON100 Dark Matter Experiment. In: Astropart. Phys. 35. Jahrgang, Nr. 537–590, arxiv:1107.2155.Vorlage:Cite book/Meldung
  3. ↑ E. Aprile et al.: Dark Matter Results from 225 Live Days of XENON100 Data. In: Phys. Rev. Lett. 109. Jahrgang, Nr. 181301, arxiv:1207.5988.Vorlage:Cite book/Meldung
  4. ↑ Neues Kapitel bei der Suche nach Dunkler Materie Pressemitteilung der Eröffnung, abgerufen am 14. Mai 2017.
  5. ↑ First Dark Matter Search Results from the XENON1T Experiment. In: XENON Collaboration (Hrsg.): Physical Review Letters. Band 119, Nr. 18, 30. Oktober 2017, doi:10.1103/PhysRevLett.119.181301, arxiv:1705.06655.
  6. ↑ The World’s Most Sensitive Dark Matter Detector Is Now Up and Running. 24. Mai 2017. Abgerufen am 25. Mai 2017. 
  7. ↑ 7,0 7,1 Observation of Excess Events in the XENON1T Dark Matter Experiment
Abgerufen von „https://www.cosmos-indirekt.de/physik_137/index.php?title=XENON_Dark_Matter_Project&oldid=16482“

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