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: Max-Planck-Institut für Astronomie 15. Mai 2023.

15. Mai 2023 – Das MPIA ist ein Konsortialpartner in beiden Projekten und hat gerade mit dem Bau verschiedener Teilsysteme der Instrumente begonnen. Eine Mini-Dokumentation über beide Instrumente wurde während einer Live-Veranstaltung auf dem YouTube-Kanal der ESO am Freitag, dem 12. Mai 2023 gezeigt.

„Ich freue mich sehr, dass die ersten Teilstücke in den Labors und Werkstätten unserer Partner in ganz Europa ankommen“, sagt Eckhard Sturm, der MICADO-Projektleiter und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE). Um diesen wichtigen Meilenstein des Projekts zu würdigen, hat die ESO (Europäische Südsternwarte) zusammen mit den MICADO- und METIS-Konsortien die ersten beiden einer Reihe von Erklärvideos produziert. Sie wurden während einer Live-Veranstaltung am Freitag, den 12. Mai gezeigt, in der unsere Wissenschaftlerinnen Nadine Neumayer und Silvia Scheithauer Fragen zu den beiden Projekten beantworteten.

MICADO ist die Multi-AO Imaging Camera for Deep Observations. Sie wird das Extremely Large Telescope (ELT), dessen Hauptspiegel einen Durchmesser von 39 Metern haben wird, mit einem der ersten Instrumente mit einer beugungsbegrenzten Bildgebung und Langspaltspektroskopie im nahen Infrarotbereich ausstatten. MICADO wird unter der Leitung des MPE von einem Konsortium von Partnern aus Deutschland, Frankreich, den Niederlanden, Österreich, Italien und Finnland zusammen mit der ESO entwickelt und gebaut.

METIS, der Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph, ist ein weiteres ELT-Instrument der ersten Generation. Es wird die Beobachtungsmöglichkeiten im Infraroten ergänzen, indem es den mittleren Infrarotbereich abdeckt. METIS bietet beugungsbegrenzte Bildgebung, niedrig- und mittelauflösende Spaltspektroskopie und Koronografie für eine kontrastreiche Bildgebung bei Wellenlängen zwischen 3 und 13 Mikrometern und hochauflösende integrale Feldspektroskopie zwischen 3 und 5 Mikrometern. Es wird von einem europäischen Konsortium unter der Leitung des PI-Instituts NOVA (Niederländische Forschungseinrichtung für Astronomie) in den Niederlanden mit zwölf Partnern aus Deutschland, Großbritannien, Frankreich, der Schweiz, Belgien, Portugal, Österreich, Taiwan und den USA gebaut.

Das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Deutschland, spielt eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung und Herstellung beider Instrumente. Der koverantwortliche Forscher für MICADO und lokaler Instrumentenwissenschaftler Jörg-Uwe Pott leitet das MICADO-Team am MPIA. Ralph Hofferbert als lokaler Projektmanager und Friedrich Müller als Systemingenieur ergänzen es.

Das MPIA liefert die warme Voroptik von MICADO, die das Sternenlicht vom Teleskop mit minimalem Verlust an Empfindlichkeit und Bildschärfe in die kalte Kamera-Optik leitet. Darüber hinaus liefert das MPIA die Kalibrierungseinheit für alle wissenschaftlichen Standardbeobachtungsmodi.

Die High-Tech-Funktionen von MICADO und METIS versetzen sie in die Lage, weit über die Fähigkeiten der besten Observatorien von heute hinauszugehen, einschließlich des Hubble- und des James Webb-Weltraumteleskops. So wird die Empfindlichkeit von MICADO mit der des JWST vergleichbar sein, jedoch mit der sechsfachen Auflösung. Auf diese Weise wird MICADO Exoplaneten erforschen, die detaillierte Struktur entfernter Galaxien enthüllen und einzelne Sterne in nahen Galaxien untersuchen. MICADO wird auch ein einzigartiges und leistungsfähiges Instrument zur Erforschung von Umgebungen sein, in denen Gravitationskräfte und allgemeine relativistische Effekte extrem stark sind, wie in der Nähe des supermassereichen schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie, der Milchstraße.

METIS verfügt über eine viel höhere spektrale und räumliche Auflösung als JWST und ermöglicht den Astronominnen und Astronomen, die Details der Stern- und Planetenentstehung sowie die extrem dünnen Atmosphären von Gesteins-Exoplaneten zu untersuchen. Da METIS im mittleren Infrarot beobachten wird, wird es vorwiegend kühle Objekte wie Gas- und Staubwolken erforschen – und dringt dabei in Galaxien vor, die nie ein Mensch zuvor gesehen hat. Als ein weiteres aufregendes Forschungsfeld wird METIS nachschauen, ob unsere nächsten stellaren Nachbarn Gesteinsplaneten wie die Erde beherbergen.

Als zweitgrößter Partner des METIS-Konsortiums liefert das MPIA Teilsysteme wie die bildgebende Kamera und die adaptive Optik (AO). Die AO korrigiert atmosphärische Verzerrungen und ist daher für beugungsbegrenzte Beobachtungen mit METIS unerlässlich.

Der verantwortliche Wissenschaftler am MPIA für METIS ist Markus Feldt. Er ist zudem mitverantwortlich für wissenschaftliche Ausrichtung des METIS-Projekts. Weitere Teammitglieder am MPIA sind die lokale Projektmanagerin Silvia Scheithauer, der Instrumentenwissenschaftler Roy van Boekel, der Leiter der Kalibrierung Wolfgang Brandner und der Leiter der adaptiven Optik (AO) Thomas Bertram. „METIS ist ein enorm komplexes Instrument mit höchsten Anforderungen an Genauigkeit und Leistung. An der Realisierung eines solchen Instruments in Zusammenarbeit mit 12 europäischen und weltweiten Partnern beteiligt zu sein, ist einzigartig!“ sagt Markus Feldt.

Das ELT mit MICADO und METIS soll noch in diesem Jahrzehnt in Betrieb gehen.

MICADO-Mini-Dokumentation:
https://streaming-eu.mpg.de/de/institute/mpia/videos_website/MICADO_Movie_1080p.mp4

METIS-Mini-Dokumentation:
https://streaming-eu.mpg.de/de/institute/mpia/videos_website/METIS_Movie_MASTER_FINAL_2160p_4K_WEB.mp4

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• ESO Teleskop ELT

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