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Dunkle Materie: Teilchen-Signal war keins

Neue Messdaten widerlegen vermeintlichen Teilchen-Überschuss im XENON-Detektor

Lichtblitze
Physiker versuchen, die Teilchen der Dunklen Materie anhand winziger Lichtblitze in riesigen Xenontanks aufzuspüren (Symbolbild). © Ali Shahgholi/ Getty images

Rückschlag für die Suche nach den Teilchen der Dunklen Materie: Der im Jahr 2020 vom XENON1T-Detektor registrierte Signal-Überschuss stammte offenbar nicht von Dunkler Materie, sondern von einem Hintergrundeffekt, wie nun systematische Nachmessungen mit zwei verschiedenen Detektoren belegen. Damit sind Spekulationen über neuartige Teilchen als Signal-Urheber vorerst widerlegt. Die neuen, präziseren Messungen engen zudem den Raum für die lange gesuchten Dunkle-Materie-Teilchen weiter ein.

Noch immer ist ungeklärt, woraus die Dunkle Materie besteht. Nicht einmal über den Suchbereich und die Masse der potenziellen Dunkle-Materie-Teilchen herrscht Einigkeit. In Frage kommen schwere „Weakly Interacting Massive Particles“ (WIMPs) ebenso wie leichtere Axionen oder sterile Neutrinos. Gefunden wurde bisher aber nichts davon. Umso spannender war ein Signal-Überschuss, den der Detektor XENON1T im Jahr 2020 registrierte. Physiker aus aller Welt spekulierten darüber, welche „neue Physik“ hinter diesem Effekt stecken könnte.

Messwerte
Detektierter Ereignis-Überschuss von XENON1T (oben) und Ergebnis der Nachmessungen mit XENONnT. Die durchgezogenen Linien zeigen das jeweils für den Detektor typische Hintergrundrauschen.© J. Ye/ Columbia University via APS

Nachfolge-Detektor mit höherer Präzision

Um dem rätselhaften Signal weiter nachzugehen, haben Physiker der XENON-Kollaboration Messungen mit dem Nachfolge-Experiment des XENON1T-Detektors im gleichen Energie- und Massebereich durchgeführt. Der Nachweis potenzieller Teilchen erfolgt über das schwache Tscherenkow-Licht, dass bei der Kollision mit einem Xenon-Atom im Messtank tief unter dem Gran-Sasso-Massiv in den italienischen Alpen freigesetzt wird.

Bei XENONnT enthält der Messtank knapp sechs Tonnen flüssiges Xenon – fast doppelt so viel wie bei seinem Vorgänger. Verbesserte Photodetektoren und Kalibrierungsalgorithmen sorgen zudem dafür, dass das „Hintergrundrauschen“ auf ein Fünftel der früheren Werte reduziert wurde, wie die Physiker berichten. In ihrer aktuellen Messkampagne testeten sie zudem gezielt, inwieweit solare Neutrinos, Tritium-Verunreinigungen des Xenons oder andere Störeffekte das rätselhafte XENON1T-Signal verursacht haben könnten.

Kein Überschuss mehr feststellbar

Das Ergebnis: Wurden alle Störeffekte berücksichtigt und herausgenommen, war kein Signal mehr nachweisbar. Anders als das Vorgängerexperiment registrierte der präzisere XENONnT-Detektor im fraglichen Energiebereich keine zusätzlichen Kollisionsereignisse. „Wir können den von XENON1T beobachteten Überschuss bei 2,3 Kiloelektronenvolt mit einer Signifikanz von rund vier Sigma ausschließen“, konstatieren die Forschenden. „Die verblindete Analyse zeigte keinerlei über den Hintergrund hinausgehende Ereignisse.“

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Das bedeutet: Das mögliche Signal neuartiger Teilchen der Dunklen Materie war leider keins. „Wir werden wahrscheinlich nie genau wissen, was den Überschuss bei XENON1T erzeugt hat, aber wir wissen nun, dass es definitiv keine neue Physik war“, sagt Jingqiang Ye von der Columbia University in New York, Koordinator für die Datenanalysen der Xenon-Kollaboration. Gleichzeitig sind die aktuellen Messergebnisse das bisher stringenteste „Null-Resultat“ für diesen Energiebereich und engen den Raum für Dunkle-Materie-Teilchen mit entsprechender Masse weiter ein.

Null-Ergebnis auch bei PandaX

Die zweite Widerlegung des Xenon1T-Signals kommt vom PandaX-Detektor im Jinping-Untergrundlabor in China. Dieser liegt rund 2.400 Meter unter der Erde und nutzt ebenfalls Xenon und das von Teilchenkollisionen erzeugte Tscherenkow-Licht als Nachweismethode. Wie der XENON-Detektor ist auch PandaX primär für die Suche nach schwereren Dunkle-Materie-Teilchen wie WIMPs ausgelegt, kann aber auch leichtere Teilchen detektieren.

Für ihre Analyse werteten die Physiker der PandaX-Kollaboration gezielt 1.085 mögliche Signale im Energiebereich von 30 Kiloelektronenvolt und darunter aus. Zwar ist das Hintergrundrauschen ihres Detektors aufgrund höherer Verunreinigungen des Xenons etwas höher, dennoch zeigte sich auch im PandaX-Detektor kein verräterischer Überschuss. „Die besten Parameter für Detektor und Störeffekte sind alle konsistent mit einem Null-Ergebnis der Signifikanz von zwei Sigma“, schreiben Dan Zhang von der University of Maryland und seine Kollegen.

Messraum
Der Raum für Axion-ähnliche Teilchen (ALP) und dunkle Photonen wird enger. © XENON Collaboration/ Physical Review Letters, CC-by 4.0

Der Suchraum wird enger

Damit scheint nun klar: Wo auch immer sich die lange gesuchten Teilchen der Dunklen Materie verbergen, der Raum für sie wird enger. Denn mit XENONnT und PandaX haben gleich zwei der zurzeit besten Detektoren weitere Massenbereiche ausgeschlossen. Ihre aktuellen Messungen fanden dabei in einem Energiebereich statt, in dem auch die hypothetischen Axion-ähnlichen Teilchen sowie dunkle Photonen liegen könnten. Die Forschungsteams wollen nun in zukünftigen Analysen weitere Energiebereiche abdecken.

Mehr Chancen, diese Kandidaten für Dunkle-Materie-Teilchen aufzuspüren, sehen einige Physiker ohnehin weniger in den Xenon-basierten Detektoren als in Haloskopen – Experimenten, die Axionen und anderer „dunkle Bosonen“ über ihre Wechselwirkung mit elektromagnetischen Feldern aufspüren sollen. (Physical Review Letters, 2022; doi: 10.1103/PhysRevLett.129.161805; doi: 10.1103/PhysRevLett.129.161804)

Quelle: Physical Review Letters, American Physical Society (APS)

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