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

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Quelle: Terran Orbital 15. Dezember 2023 via Business Wire.

15. Dezember 2023 – Turin, Italien –(BUSINESS WIRE)– Tyvak International, europäischer Marktführer für kleine Satellitenlösungen, gab heute gemeinsam mit seinen Projektpartnern den erfolgreichen Abschluss der Test Readiness Review für den Milani-Satelliten bekannt. Milani ist ein wichtiger Bestandteil der Hera-Mission zur Planetenverteidigung und wird der erste Weltraum-Nanosatellit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) sein. Außerdem wird Milani der erste Nanosatellit sein, der jemals einen Asteroiden umkreist hat. Tyvak International ist für den Entwurf, den Bau und den Betrieb des Milani-Satelliten verantwortlich. Bei dieser Mission wird Tyvak International von einem exzellenten Konsortium aus europäischen Unternehmen und Forschungszentren aus Finnland, der Tschechischen Republik und Italien unterstützt.

Als Teil des weltweit ersten Tests zur Ablenkung von Asteroiden nach dem gelungenen Einschlag der NASA-Raumsonde DART auf dem Asteroiden Dimorphos wird Hera eine detaillierte Untersuchung nach dem Einschlag durchführen, um aus dem Experiment eine gut erforschte und wiederholbare Technik zur Verteidigung des Planeten zu machen. Zur Erreichung der gesteckten Ziele wird Hera neue Technologien einsetzen, von der autonomen Navigation um einen Asteroiden bis hin zu Operationen in der Nähe der Schwerelosigkeit. Hera wird die erste Sonde der Menschheit sein, die auf ein binäres Asteroidensystem trifft, und Europas Flaggschiff unter den Planetary Defendern, den Verteidigern des Planeten.

Milani, der nach Professor Andrea Milani benannt wurde, dem Pionier auf dem Gebiet der Risikoanalyse von Asteroiden und dem Erfinder des ursprünglichen Konzepts der Doppelraumsonde Don Quijote, von dem die DART-Hera-Missionen abgeleitet wurden, ist ein begleitender Nanosatellit von Hera, der vom Mutterschiff auf dem Weg zu Didymos transportiert und schließlich in dessen Nähe ausgesetzt wird. Die Instrumente des Milani-Satelliten sind der ASPECT Hyperspectral Imager (von VTT, Finnland), der VISTA (Volatile In-Situ Thermogravimetre Analyser) Staubdetektor und die von Tyvak International in Zusammenarbeit mit dem Politecnico di Milano entwickelte Navigationskamera für Bildverarbeitungsalgorithmen. Außerdem werden Laserreflektoren (von INFN, Italien) in Verbindung mit dem Laserentfernungsmesser von Hera noch nie dagewesene Messungen des Schwerefelds des Asteroiden ermöglichen.
Tyvak International ist Teil der Terran Orbital Corporation (NYSE: LLAP) („Terran Orbital“ oder das „Unternehmen“), einem Weltmarktführer für satellitengestützte Lösungen, der in erster Linie die Luft- und Raumfahrt- sowie die Verteidigungsindustrie bedient. „Terran Orbital ist stolz auf Tyvak Internationals erfolgreiches Bestehen der Test Readiness Review“, so Marc Bell, Mitbegründer, Chairman und Chief Executive Officer von Terran Orbital. „Wir fühlen uns geehrt durch das Vertrauen, das die ESA in Tyvak International setzt, und wir freuen uns darauf, auch in Zukunft hochmoderne Satellitenlösungen für Missionen wie die Hera Mission zu entwickeln, zu bauen, bereitzustellen und zu betreiben.“

„Wir waren immer stolz darauf, Teil einer solch anspruchsvollen Mission zu sein, und die Test Readiness Review ist ein entscheidender Meilenstein für das Programm“, erklärte Margherita Cardi, VP of Programs bei Tyvak International und Milani Program Manager. „Wir haben den Satelliten in den letzten Monaten zusammengebaut und gesehen, wie er Tag für Tag weiter Gestalt annahm. Das war eine sehr aufregende und emotionale Phase für mich und das gesamte Team.“

„Die vollständige Integration der Milani-Raumsonde zu bewundern, löst viele Emotionen aus und entschädigt für Zehntausende von Stunden modernster Ingenieursarbeit“, so Ian Carnelli, ESA Hera Project Manager. „Tyvak International hat ein beispielloses Engagement an den Tag gelegt, um den Entwurf dieses Projekts in die Realität umzusetzen. Wir können es kaum erwarten, die Umwelttestkampagne abzuschließen und die Tests mit dem Hera-Raumschiff zu beginnen. Ein weiterer Schritt in Richtung Didymos.“

Der nächste große Schritt für den Milani-Satelliten wird die Durchführung der Umwelttestkampagne im Laboratorio di Qualifica Spaziale des CIRA (Centro Italiano Ricerche Aerospaziali, Capua, Italien) sein, wonach er für die letzten Tests und Verifizierungen zu Tyvak zurückkehren wird. Anfang 2024 wird Milani an die ESA ausgeliefert, um die Hera-Testkampagne zur elektromagnetischen Kompatibilität und umfangreiche Systemvalidierungstests (SVTs) zu unterstützen, die auch das Bodensegment der Mission einschließen.

Über Tyvak International
Tyvak International, eine Terran Orbital Corporation, gehört zu den führenden europäischen Anbietern von Nano- und Mikrosatelliten und hat seinen Sitz in Turin, Italien. Als Vorreiter in der Miniaturisierung und Spezialist in der Ausführung und Bereitstellung ist Tyvak International der Hauptvertragspartner der Europäischen Weltraumorganisation für die Milani-Mission und koordiniert ein aus 12 Einrichtungen, Universitäten, Forschungszentren und Unternehmen in Italien und ganz Europa bestehendes Team. Erfahren Sie mehr unter www.tyvak.eu.

Über Terran Orbital
Terran Orbital ist ein führender Hersteller von Satellitenprodukten, die in erster Linie für die Luft- und Raumfahrt- sowie die Verteidigungsindustrie entwickelt werden. Terran Orbital bietet durch die Kombination von Satellitendesign, Satellitenproduktion, Startplanung, Missionsbetrieb und On-Orbit-Support End-to-End-Satellitenlösungen an, die die Anforderungen der anspruchsvollsten militärischen, zivilen und kommerziellen Kunden erfüllen. Erfahren Sie mehr unter www.terranorbital.com.

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