KIP - Tieftemperatur-Teilchendetektoren - Dunkle Materie


Suche nach dunkler Materie

Aus verschiedenen astronomischen Beobachtungen, wie z.B. aus der Messung der Rotationsgeschwindigkeit von Spiralgalaxien (Abb. 1), kann geschlossen werden, dass die Masse der leuchtenden Materie nur einen Bruchteil - ca. 10 bis 30% - der dynamisch wirksamen Gesamtmasse ausmacht. Die fehlende Masse wird als so genannte dunkle Materie bezeichnet, da bislang weitgehend unbekannt ist aus was sie besteht. Es gibt verschiedene Ansätze den Ursprung und die Konsistenz der dunklen Materie zu erklären. Neuere Beobachtungen deuten darauf hin, dass die dunkle Materie nicht aus einer Substanz besteht, sondern dass vermutlich eine Kombination von verschiedenen Beiträgen die Gesamtmasse bildet. Ein Kandidat, nachdem mit Hilfe von Tieftemperaturdetektoren gesucht wird, sind so genannte WIMPs (weakly interacting massive particles). Solche Teilchen, die man sich vereinfacht als sehr schwere Neutrinos vorstellen kann, werden in neueren Theorien der Elementarteilchenphysik vorhergesagt. Nach astrophysikalischen Vorstellungen sollen diese WIMPs gravitativ an Galaxien gebunden sein und einen sphärischen Halo mit thermischer Geschwindigkeitverteilung bilden.

Derzeit werden verschiedene Tieftemperaturdetektoren aufgebaut und betrieben, um solche Teilchen nachzuweisen. Der erwartete sehr kleine Wechselwirkungsquerschnitt macht die Detektion der WiMPs äußerst schwierig. Ein häufig verwendetes Detektionsprinzip ist der Nachweis über den Kernrückstoß bei der Streuung an Atomkernen in Festkörperabsorbern. Der Kernrückstoss erzeugt athermische Anregungen, die mit Thermometern an der Oberfläche nachgewiesen werden. Ein wichtiger Punkt bei der Suche nach WIMPs ist die Unterdrückung des Untergrunds, da die erwartete Ereignisrate sehr gering ist. Die Experimente werden daher tief unter der Erdoberfläche durchgeführt. Um den Einfluß der Umgebungsradioaktivität zu reduzieren werden zum einen massive Abschirmungen eingesetzt und zum anderen ausgeklügelte Koinzidenzdetektoren realisiert, auf die wir im Rahmen dieser Einführung nicht näher eingehen wollen. Eine wichtige Signatur für den Nachweis von WIMPs ist eine Sommer zu Winter Asymmetrie der Ereignisrate, die aufgrund der Relativbewegung von Erde und Galaxis erwartet wird.
 
CRESST-Kollaboration

CDMS-Kollaboration

ROSEBUD, University of Zaragoza, Spanien

CUORE, Mailand, Italien

MACHe3, CNRS Grenoble, Frankreich

EDELWEISS-Kollaboration

ORPHEUS, University of Bern, (Schweiz)

Abb. 1: Gemessene Rotationsgeschwindigkeit einer Spiralgalaxie (rot) im Vergleich zum erwarteten Verlauf für die leuchtende Materie (schwarz).
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