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 Physik.

14. April 2022 – Licht an, Licht aus – so könnte man das Verhalten der Nova beschreiben, die auf den Namen RS Ophiuchi (RS Oph) hört. Alle etwa 15 Jahre kommt es im Sternbild des Schlangenträgers zu einer dramatischen Explosion. Geburtsort einer Nova sind Systeme, in denen zwei sehr unterschiedliche Sterne in einer parasitären Paarbeziehung leben: Ein weißer Zwerg, ein kleiner, ausgebrannter und ungeheuer dichter Stern – ein Teelöffel seiner Materie wiegt ungefähr 1 Tonne – umkreist einen roten Riesen, einen alten Stern, der bald verglühen wird.

Der sterbende Riesenstern füttert den Weißen Zwerg mit Materie: Er stößt seine äußere Wasserstoffschicht ab, das Gas strömt auf den nahen Weißen Zwerg. Dieser Materiefluss hält an, bis der Winzling sich „überfrisst“ und zu heiß wird. Die Temperatur und der Druck in den neu gewonnen Sternhüllen sind dann so groß, dass sie in einer gigantischen thermonuklearen Explosion weggeschleudert werden. Der Zwergstern bleibt dabei erhalten und der Kreislauf beginnt von Neuem – bis sich das Spektakel wiederholt.

Explosion im hohen Energiebereich
Dass bei solchen Explosionen hohe Energien im Spiel sind, war vermutet worden. Die beiden MAGIC-Teleskope zeichneten Gammastrahlen mit dem Wert von 250 Gigaelektronenvolt (GeV) auf, mit die höchsten Energien, die je bei einer Nova gemessen wurden. Zum Vergleich: Die Strahlung ist hundert Milliarden Mal energiereicher als das sichtbare Licht.

MAGIC beobachtete die Nova nach Meldungen von Instrumenten, die auf andere Wellenlängen spezialisiert sind. „Der dramatische Ausbruch der Nova RS-Oph zeigt, dass sich die kurze Reaktionszeit der MAGIC-Teleskope auszahlt: Sie brauchen höchstens 30 Sekunden, um sich auf ein neues Ziel auszurichten“, sagt David Green, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Physik und einer der Autoren der Beitrags.

Nach der Explosion breiteten sich mehrere Stoßfronten im Sternwind des Roten Riesen und im interstellaren Medium aus, welches das Doppelstern-System umgibt. Diese Schockwellen sind ein natürlicher Teilchenbeschleuniger, also ein riesiges Kraftwerk, das Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit bringt. Die kombinierten Messdaten legen nahe, dass die Gammastrahlen von energiereichen Protonen, Kernen von Wasserstoffatomen, ausgehen.

Beschleunigte Protonen Teil der kosmischen Strahlung
„Damit kommen Nova-Ausbrüche auch als Quelle für die kosmische Strahlung in Frage“, erklärt David Green. „Allerdings spielen sie dabei eher die Rolle von Lokalmatadoren. Das heißt, sie tragen nur in ihrer unmittelbaren Umgebung zur kosmischen Strahlung bei. Die Hauptakteure der kosmischen Strahlung sind Supernova-Überreste. Die Schockwellen, die von dieser Art Sternexplosion ausgehen, sind bedeutend heftiger als bei einer Nova.“

Um das komplizierte Zusammenspiel von energiereichen Himmelsereignissen und dem interstellaren Medium in der Milchstraße vollständig zu verstehen, brauchen wir weitere Beobachtungen wie die aktuell veröffentlichten. Die MAGIC-Kollaboration wird daher auch in Zukunft Ausschau nach „unruhigen“ Objekten in unserer Galaxie – und darüber hinaus – halten.

Publikation
Proton acceleration in thermonuclear nova explosions revealed by gamma rays
The MAGIC Collaboration
Nature Astronomy
DOI: 10.1038/s41550-022-01640-z
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01640-z

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• Gamma Ray Bursts (GRBs)

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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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Quelle: Max-Planck-Institut für Physik, München.

14. Februar 2022 – Neutrinos sind die wohl faszinierendsten Elementarteilchen in unserem Universum. In der Kosmologie spielen sie eine wichtige Rolle bei der Bildung von großräumigen Strukturen, und in der Welt der Teilchenphysik nehmen sie eine Sonderstellung ein durch ihre winzige Masse, die auf neue physikalische Prozesse jenseits unserer bisherigen Theorien hinweist. Ohne eine Messung der Neutrinomasse wird unser Verständnis des Universums unvollständig bleiben.

Hier setzt das internationale KATRIN-Experiment am KIT mit Partnern aus sechs Ländern als weltweit sensitivste Waage für Neutrinos an. Es benutzt den Beta-Zerfall von Tritium, einem instabilen Wasserstoff-Isotop, um aus der Energieverteilung der bei diesem Zerfall erzeugten Elektronen die Masse des Neutrinos zu bestimmen. Dazu ist ein enormer technischer Aufwand notwendig: Das 70 Meter lange Experiment beherbergt die weltweit intensivste Quelle von Tritium sowie ein riesiges Spektrometer, mit dem sich die Energien der Zerfallselektronen mit bisher unerreichter Präzision messen lassen.

Die hohe Qualität der ersten Daten nach der Inbetriebnahme im Jahr 2019 konnte in den letzten beiden Jahren kontinuierlich gesteigert werden. „KATRIN als Experiment mit höchsten technologischen Anforderungen läuft nun wie ein perfektes Uhrwerk“, freut sich Guido Drexlin vom KIT, der Projektleiter und einer der beiden Co-Sprecher des Experiments. Christian Weinheimer, Universität Münster, der andere Co-Sprecher, ergänzt: „Dabei waren die Reduktion der Störsignale und die Erhöhung der Signalrate entscheidend für das neue Resultat“.

Akribische Datenanalyse: Erster Vorstoß in den Bereich unter einem Elektronenvolt
Die Auswertung dieser Daten stellte das internationale Team um die beiden Analyse-Koordinatoren Susanne Mertens, Max-Planck-Institut für Physik (MPP) und Technische Universität München und Magnus Schlösser, KIT, vor große Herausforderungen: Jeder Einfluss auf die Neutrinomasse, so klein er auch sein mochte, musste detailliert untersucht werden. „Nur durch diese aufwändige und akribische Arbeit konnten wir eine systematische Beeinflussung unseres Resultats durch andere Effekte wirklich ausschließen. Wir sind ganz besonders stolz auf unser Analyseteam, das sich dieser Herausforderung mit großem Engagement erfolgreich gestellt hat“, so Mertens und Schlösser.

Die experimentellen Daten des ersten Messjahres und die Modellierung auf Basis einer verschwindend kleinen Neutrinomasse passen perfekt: Daraus lässt sich eine neue Obergrenze für die Neutrinomasse von 0,8 Elektronenvolt (eV) bestimmen. Erstmals stößt so ein direktes Neutrinomassenexperiment in den kosmologisch und teilchenphysikalisch wichtigen Massenbereich unter einem Elektronenvolt vor, in dem die fundamentale Massenskala von Neutrinos vermutet wird. „Die Teilchenphysik-Gemeinschaft ist begeistert, dass die 1-eV-Barriere von KATRIN durchbrochen wurde“ kommentiert Neutrinoexperte John Wilkerson, University of North Carolina, der Vorsitzende des KATRIN Executive Boards.

Susanne Mertens erläutert den Weg zum neuen Rekord: „Unser Team am MPP in München hat für KATRIN eine neue Analysemethode entwickelt, die speziell auf die Anforderungen dieser hochpräzisen Messung optimiert ist. Diese Strategie wurde erfolgreich für die vergangenen und aktuellen Ergebnisse eingesetzt. Meine Gruppe ist hochmotiviert: Wir werden uns auch den künftigen Herausforderungen der KATRIN-Analyse mit neuen kreativen Ideen und akribischer Genauigkeit stellen.“

Weitere Messungen sollen Empfindlichkeit verbessern
Die Co-Sprecher und Analyse-Koordinatoren von KATRIN beschreiben die kommenden Ziele: „Die weiteren Messungen zur Neutrinomasse werden noch bis Ende 2024 andauern. Um das volle Potential dieses einzigartigen Experiments auszuschöpfen, werden wir nicht nur die Statistik der Signalereignisse kontinuierlich erhöhen; wir entwickeln und installieren fortwährend Verbesserungen zur weiteren Absenkung der Störereignisrate“.

Dabei spielt die Entwicklung des neuen Detektorsystems TRISTAN, mit dem sich KATRIN ab 2025 auf die Suche nach „sterilen“ Neutrinos im Kiloelektronvolt-Massenbereich begeben soll, eine besondere Rolle. Solche sterilen Neutrinos wären Kandidaten für die mysteriöse Dunkle Materie, die sich schon in vielen astrophysikalischen und kosmologischen Beobachtungen manifestiert hat, deren teilchenphysikalische Natur aber noch immer unbekannt ist.

(*) 1 Elektronenvolt entspricht der unvorstellbar geringen Masse von ca. 1,8 x 10^-36 Kilogramm

Publikation
Direct neutrino-mass measurement with sub-eV sensitivity
KATRIN Collaboration
Nature Physics
DOI: 10.1038/s41567-021-01463-1
https://www.nature.com/articles/s41567-021-01463-1.epdf

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• Neutrinos

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