Quelle: Max-Planck-Institut für Physik (MPP) 18. April 2024.

18. April 2024 – Die Natur der Dunklen Materie zählt bis heute zu den großen Fragen der modernen Physik. Nach heutigem Wissen macht die unsichtbare Dunkle Materie 85 Prozent der Gesamtmasse im Universum aus. Im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor (INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso) geht heute das Experiment COSINUS* in Betrieb. Das Forschungsprojekt soll überprüfen, ob ein anderes Experiment (DAMA/LIBRA) tatsächlich Signale Dunkler Materie gemessen hat – oder nicht. COSINUS ist eine Kooperation der TU Wien, des Instituts für Hochenergiephysik der ÖAW, des Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Italien), des Helsinki Institute of Physics (Finnland) und des MPP.

Für das COSINUS-Projekt wurde ein spezielles Instrument entwickelt. Dabei wird ein Kristall auf extrem tiefe Temperaturen gekühlt, um die Energie von Teilchen mit hoher Präzision messen zu können. Falls die Dunkle Materie aus bisher unbekannten Teilchen besteht, müsste die Erde auf ihrem Weg durch das All mit diesen Teilchen zusammenstoßen. Diese Kollisionen könnten sich im Messgerät nachweisen lassen.

Das DAMA/LIBRA-Experiment hat Daten gesammelt, die mit dieser Annahme im Einklang stehen, allerdings umstritten sind, da die Bestätigung durch ein anderes Experiment bis heute ausgeblieben ist.

Pflügt sich die Erde durch einen Nebel aus Dunkler Materie?
Wenn sich Dunkle Materie tatsächlich nachweisen ließe, würden die Messungen über das Jahr hinweg variieren. Warum? Die Sonne und all ihre Planeten – also auch die Erde – bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von rund 220 Kilometern pro Sekunde um das Zentrum der Milchstraße. Die Erde wiederum kreist mit einer Geschwindigkeit von rund 30 Kilometern pro Sekunde um die Sonne, für einen kompletten Umlauf braucht sie ein Jahr. Ein halbes Jahr lang bewegt sich die Erde also in der gleichen Richtung wie die Sonne, die anderen sechs Monate in der Gegenrichtung.

„Wenn unsere Galaxie von Teilchen aus Dunkler Materie durchdrungen ist, würde sich die Erde mal schneller, dann wieder langsamer durch diesen ‚Nebel‘ hindurchbewegen“, erklärt die MPP-Wissenschaftlerin Karoline Schäffner, technische Leiterin von COSINUS. „Die Situation gleicht einer Autofahrt im Regen: Je schneller wir unterwegs sind, umso mehr Regentropfen prasseln auf die Windschutzscheibe. Wir erwarten also, zu verschiedenen Zeiten unterschiedlich viel Dunkle Materie zu detektieren.“

Genau das hat das DAMA/LIBRA Experiment ergeben, das seit 1995 läuft: Man detektierte tatsächlich ein Signal, dessen Intensität sich im Lauf des Jahres regelmäßig veränderte – ein Hinweis auf Dunkle Materie. Doch andere Experimente konnten diese Ergebnisse nicht wiederholen.

Der fehlende Nachweis durch andere Experimente beschäftigt die internationale Forschungsgemeinde seit Jahren. „Mit unserem neuen Projekt gibt es die Chance, dieses Rätsel zu lösen“, sagt Karoline Schäffner. „Wir verwenden in unserem Detektor Natriumiodid, dasselbe Material wie im DAMA/LIBRA-Experiment, um die Ergebnisse vergleichen zu können. Unser Versuchsaufbau wird aber eine deutlich höhere Genauigkeit erzielen.“

Wärme und Licht
Im DAMA/LIBRA Experiment wird nur das Licht, nicht aber die Wärme vermessen. Es gibt bereits zwei weitere Experimente, mit denen Wissenschaftler*innen daran arbeiten, die DAMA/LIBRA-Experimente zu reproduzieren. Wie das Original zeichnen beide nur Licht auf – im Gegensatz zu COSINUS, das auf zwei verschiedene Signale ausgelegt ist.

Das Herzstück von COSINUS ist ein Kryostat – eine Art Kühlschrank für extrem tiefe Temperaturen – in dem ein Kristall aus Natriumiodid auf 1-2 hundertstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (- 273 Grad Celsius) abgekühlt werden kann. Wird dieser Kristall von Dunkle-Materie-Teilchen getroffen, kommt es zu zwei Reaktionen im Detektor: Erstens werden die Atome des Kristalls in Schwingung versetzt – das Kristallgitter beginnt zu wackeln und heizt sich auf. Die dabei aufgenommene Wärmeenergie lässt sich äußerst genau messen. Zweitens entsteht im Kristall auch Licht, das COSINUS ebenfalls „sehen“ kann.

Bekannte oder unbekannte Teilchen?
Die Untersuchung von zwei Signalen liefert zudem Hinweise, um welche Teilchen es sich handelt. „Das ist wichtig, denn nicht jedes Signal, das man in einem solchen Detektor misst, ist ein Hinweis auf Dunkle Materie“, erklärt Karoline Schäffner: „Es kann sich zum Beispiel um gewöhnliche Elektronen handeln, die durch natürliche Radioaktivität entstehen. Oder auch um Neutronen, die von kosmischen Teilchen produziert werden.“

Um Dunkle Materie-Signale zu entdecken, müssen die Forschenden den Kristall möglichst effektiv vor jeglichem Hintergrundrauschen abschirmen. Daher steht das Experiment gut geschützt in einem Bergmassiv, im größten Untergrundlabor der Welt: in den INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso (INFN-LNGS, Italien), rund hundert Kilometer von Rom entfernt. Unter 1.400 Metern Gestein bietet ein Tunnelsystem Platz für eine Vielzahl hochempfindlicher Versuche – auch das DAMA/LIBRA-Experiment ist dort aufgebaut. Außerdem werden die Detektoren in einem sieben Meter hohen Tank mit hochreinem Wasser platziert.

Das COSINUS-Projekt wird 18. April 2024 im INFN-LNGS eröffnet. Erste Ergebnisse der Messungen sind 2025/26 zu erwarten.

*Cryogenic Observatory for SIgnatures seen in Next-generation Underground Searches

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• Dunkle Materie

Der Beitrag COSINUS: Neues Experiment prüft umstrittene Dunkle-Materie-Signale erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: JGU 26. April 2023.

Woraus besteht die unsichtbare Dunkle Materie, die mehr als 80 Prozent der Masse des Kosmos ausmacht? Was ist die Rolle der rätselhaften Neutrinos im frühen Universum? Warum haben sich nach dem Urknall Materie und Antimaterie nicht vollständig gegenseitig vernichtet?

Um den Rätseln des Universums auf die Spur zu kommen, bauen Physikerinnen und Physiker unvorstellbar große und zugleich unglaublich präzise Experimente an den exotischsten Orten der Welt. Prof. Dr. Sebastian Böser und Daniel Wenz von PRISMA+ nehmen die Schülerinnen und Schüler mit auf eine faszinierende Reise zu diesen Experimenten: Im Gletschereis der Antarktis hat das IceCube Experiment kosmische Neutrinos im Blick. Im Gran Sasso Gebirge, 1.400 Meter tief unter der Erde, ist das XENON Experiment auf der Suche nach Dunkler Materie. Dr. Jan Leitner vom Max-Planck-Institut für Chemie holt die Astrophysik ins Labor.

Die Rätsel des Universums stehen auch im Fokus der begleitenden Mitmach-Ausstellung »PRÄZISION – Unvorstellbare Genauigkeit und die Suche nach neuer Physik«. Sie vermittelt die spannende Forschung bei PRISMA+ spielerisch, interaktiv und unterhaltsam.

Unser Universum

• Geheimnisvolle Dunkle Materie: Die dunkle Seite des Universums
  9-11 Uhr: Für die Mittelstufe
  Vortrag von Daniel Wenz
• Unfassbare Neutrinos: Die Vermessung der Geisterteilchen vom Labor bis zum Südpol
  11.15-13.15 Uhr: Für die Oberstufe
  Vortrag von Prof. Dr. Sebastian Böser
• Astrophysik im Labor: Ein Blick in die Milchstraße durch kosmischen Staub
  14-16 Uhr: Offen für Alle
  Vortrag von Dr. Jan Leitner

Termin
Mittwoch 21. Juni 2023

Anmeldung
Um Anmeldung wird gebeten bis zum 21. Mai 2023:
veranstaltungen(at)adwmainz.de

Treffpunkt
PLENARSAAL DER AKADEMIE
Geschwister-Scholl-Straße 2
55131 Mainz

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Kosten
Die Veranstaltung ist ein kostenloses Angebot der Johannes Gutenberg-Universität, und der Akademie der Wissenschaft und der Literatur.

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Der Beitrag Physik & Schule: Den Rätseln des Universums auf der Spur erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Hochschule Coburg.

17. Februar 2022 – Der Weltraum. Unendliche Weiten, wir schreiben das Jahr 2022. Wie die Mannschaft der kultigen Fernsehserie Star Trek auf dem Raumschiff Enterprise den Weltraum erforscht, will auch Felix Dominksy den Geheimnissen des Universums auf die Spur kommen. Er hat eben seine Bachelorarbeit an der Fakultät Angewandte Naturwissenschaften verfasst und sich darin einem der wohl komplexesten und umfangreichsten Forschungsgebiete der Physik gewidmet.

Prof. Dr. Michael Wick hat die Arbeit betreut: „Die Bachelorarbeit entstand in Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Physik (MPP) in München. Hier in die Forschung mit eingebunden zu sein, ist für einen Studierenden eine hervorragende Möglichkeit, in einem internationalen Team, an einem der größten ungelösten Rätsel der Physik zu arbeiten.“

„Kostenlos ins Weltall fliegen“
Als Schulkind hatte Felix Dominsky einen klaren Berufswunsch, wie er sich amüsiert erinnert: „Ich habe meinem Lehrer in der Grundschule gesagt, ich will Astronaut werden, dann kann ich kostenlos ins Weltall fliegen.“ Sein Interesse an der Physik und dem Weltraum liegt in der Familie: „Mein Onkel ist Astrophysiker, er hat mir früh ein Teleskop geschenkt und viel erklärt. Mein Großvater war Kernphysiker, was mich auch sehr geprägt hat.“ Die Forschung an Dunkler Materie passt nun perfekt: „Dunkle Materie zu finden, ist gerade die Herausforderung der modernen Physik und jetzt kann ich das Größte mit dem Kleinsten kombinieren, das ist echt spannend!“

Die größte Struktur im Universum
Dunkle Materie gilt als „angenommene Form“ von Materie, denn sie ist nicht direkt sichtbar. Sie interagiert über die Gravitation mit der sichtbaren Materie, zum Beispiel den Sternen. Ihre Existenz würde die beobachtete Bewegung der Sterne um das Zentrum ihrer Galaxien erklären. Es wird angenommen, dass sie etwa 85 Prozent der Materie im Universum ausmacht. Direkt nachgewiesen wurden bislang keine dieser Teilchen, doch wenn solche Dunkle-Materie-Teilchen existieren, sollte man sie mit geeigneten Messgeräten auf der Erde beobachten können, sagen Wissenschaftler*innen. Mit dem CRESST-Experiment wird danach gesucht. CRESST steht für „Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers“. Damit möglichst wenig kosmische Strahlung die Messung stört, wird das Experiment 1.400 m unter der Erde im Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in den Abruzzen in Italien betrieben. Hinter dem Experiment steht ein europäischer Forschungsverbund, der vom MPP geleitet wird.

Felix Dominsky hat seine Arbeit bei dem Forschungsteam in München unter der Leitung von Dr. Federica Petricca durchgeführt. Der Doktorand Dominik Fuchs hat ihn dabei betreut. Fuchs beschäftigt sich für seine Promotion intensiv mit dem Thema: „Das CRESST Experiment sucht nach Signalen Dunkler Materie. Auch wenn man keine sieht, können Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Dunklen Materie gezogen und die Parameter von theoretischen Modellen eingegrenzt werden.“ Ziel der Bachelorarbeit war nun die Simulation und Erstellung von Limits, um mögliche Signale noch weiter einzugrenzen. Dominsky erklärt: „Dazu war es nötig zu simulieren, wie sich Dunkle Materie im Detektor zeigen würde.“ Die Ergebnisse der Bachelorarbeit werden dazu genutzt eine Software zu erstellen und Dominik Fuchs wird sie in seine Forschungen mit einbeziehen. Er ist voll des Lobes für den Coburger Studenten: „Felix hat sich toll in das Thema eingearbeitet, vor allem in die statistische Analyse, die ja für seine Forschung nötig war.“

Felix Dominsky könnte sich vorstellen, wieder am MPP zu arbeiten und bekräftigt: „Die Unterstützung in München war wirklich toll. Nach der vielen Simulationsarbeit, würde mich jetzt reizen, direkt an den Geräten zu arbeiten und noch mehr von der Atmosphäre an dem Forschungsstandort mit zu bekommen.“ Den Traum vom Flug in den Weltraum hat er auch noch nicht aufgegeben, um unendlichen Weiten des Weltalls weiter zu erforschen.

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• Dunkle Materie

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