Signal-Überschuss im Detektor XENON1T könnte auf neues Teilchen hindeuten Dunkle Materie: Haben Physiker Axionen gefunden? - scinexx | Das Wissensmagazin
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Dunkle Materie: Haben Physiker Axionen gefunden?

Signal-Überschuss im Detektor XENON1T könnte auf neues Teilchen hindeuten

XENON1T
Photodetektoren im Dunkle-Materie-Detektor XENON1T – sie haben einen mysteriösen Überschuss von Signalen registriert, der von solaren Axionen stammen könnte. © XENON Collaboration

Mysteriöser Überschuss: Der Detektor XENON1T in den italienischen Alpen hat deutlich mehr Zerfallsereignisse registriert als er dürfte. Diese zusätzlichen Lichtsignale könnten von bisher nur hypothetischen Teilchen stammen, den Axionen. Sie gelten als ein Kandidat für die lange gesuchten Dunkle-Materie-Teilchen. Die Physiker der XENON-Kollaboration halten Axionen für die wahrscheinlichsten Urheber der Signale, können aber zwei weitere potenzielle Ursachen nicht ausschließen.

Woraus besteht die Dunkle Materie? Bisher ist diese Frage unbeantwortet, denn noch haben Physiker keinen der gängigen Teilchenkandidaten nachweisen können – weder die lange favorisierten Weakly Interacting Massive Particles (WIMP) noch sterile Neutrinos oder die leichten Axionen. Auch die Fahndung nach noch exotischeren Partikeln wie dunklen Photonen oder Teilchen aus exotischen Quark-Antiquark-Kombinationen ging bisher ins Leere.

Lichtblitze im Xenon-Tank

Doch nun könnten Physiker der XENON-Kollaboration erstmals Indizien für die Existenz eines dieser Kandidaten gefunden haben: den Axionen. Der Theorie zufolge sind diese Teilchen Milliarden mal leichter als ein Elektron und können sich in starken Magnetfeldern in elektromagnetische Strahlung umwandeln. Aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften könnten die Axionen nicht nur Urheber der Dunklen Materie sein, sondern auch erklären, warum die starke Kernkraft auf Materie und Antimaterie gleich wirkt.

Bei dem nun veröffentlichten Indiz für die Axionen handelt es sich um einen Signal-Überschuss im Dunkle-Materie-Detektor XENON1T im Labor von Gran Sasso in den italienischen Alpen. Der Detektor besteht aus einem unterirdischen Tank aus 3,2 Tonnen hochreinem, bei minus 95 Grad verflüssigtem Xenon. Trifft ein von außen eintreffendes Teilchen eines der Xenon-Atome, kann es Elektronen aus dessen Hülle schlagen und dabei einen schwachen Lichtblitz auslösen, das sogenannte Tscherenkow-Licht.

Signal-Überschuss bei niedrigen Energien

Für ihre Studie werteten die Physiker die Ereignisse im XENON1T-Detektor aus, die auf Teilchen-Kollisionen mit eher geringer Energie hindeuten. Die Zahl der durch bekannte Prozesse wie beispielsweise radioaktiven Zerfällen verursachten Signale lag für den Analysezeitraum von einem Jahr bei 232 Ereignissen. Doch bei der Analyse der Daten fanden die Wissenschaftler 285 Signale – 53 mehr als den erwarteten Wert.

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Signal-Überschuss
Erwartete Signale (rote Linie) und beobachteter Ereignis-Überschuss (schwarz) im XENON1T-Detektor. © XENON Collaboration

Dieser Überschuss war im niedrigen Energiebereich am deutlichsten: „Wir beobachteten unterhalb von sieben Kiloelektronenvolt einen Überschuss über dem bekannten Hintergrund, der zu den niedrigeren Energien hin zunimmt und am prominentesten zwischen zwei und drei Kiloelektronenvolt ist“, berichten die Forscher der XENON-Kollaboration. Die Abweichung von den Erwartungen hat eine Signifikanz von 3,5 Sigma. Als Entdeckung gilt in der Teilchenphysik allerdings erst eine Signifikanz von fünf Sigma.

Kommt das Signal von solaren Axionen?

Was aber kann diesen Überschuss verursacht haben? Die spannendste und nach Ansicht der Physiker wahrscheinlichste Erklärung wären solare Axionen – Varianten der hypothetischen Dunkle-Materie-Teilchen, die in unserer Sonne und anderen Sternen entstehen. „Solare Axionen hätten Energien im Kiloelektronenvolt-Bereich und damit genau in dem Bereich, in dem XENON1T am sensitivsten ist“, erklären die Wissenschaftler.

„Die Beobachtung solarer Axionen wäre ein Beweis für eine Physik, die über das Standardmodell hinausgeht“, so de Physiker. „Allerdings wäre dieser Nachweis allein noch nicht ausreichend, um damit auch die Axionen als Ursprung der Dunklen Materie zu belegen.“ Ihren Modellrechnungen zufolge hat die Theorie, dass das Überschuss-Signal auf solare Axionen zurückgeht, eine Signifikanz von 3,5 Sigma. Die Wahrscheinlichkeit, dass es reiner Zufall ist, ist demnach geringer als eins zu zwei Zehntausendstel.

Oder doch vom Tritium-Zerfall oder Neutrinos?

Allerdings gibt es für den Signal-Überschuss noch zwei weitere denkbare Erklärungen – wenngleich die Forscher der XENON-Kollaboration sie aufgrund ihrer Modelle als weniger wahrscheinlich einstufen. Zum einen könnten Neutrinos mit ungewöhnlichen Eigenschaften diese Ereignisse hervorgerufen haben. Das würde allerdings bedeuten, dass das magnetische Moment der Neutrinos größer ist als vom Standardmodell vorhergesagt – auch das wäre demnach ein Hinweis auf „neue Physik“.

Zum anderen können die Physiker aber auch nicht ausschließen, dass winzige Mengen an radioaktivem Tritium im Xenon-Tank des Detektors diesen Signal-Überschuss zumindest zum Teil mitverursacht haben. Schon wenige Tritiumatome auf zwei Kilogramm Xenon würden reichen, um die Signale zu erklären. Bisher allerdings gibt es keine Methode, mit der man die Präsenz solcher winzigen Mengen Tritium nachweisen könnte.

Detektor-„Aufrüstung“ könnte Rätsel lösen

Deshalb haben die Wissenschaftler die beiden anderen Hypothesen erneut unter der Prämisse kalkuliert, dass ein Teil der Signale vom Tritium stammt. Das Ergebnis: „Das solare Axion ist noch immer das wahrscheinlichste, aber seine Signifikanz sinkt dann auf 2,1 Sigma“, so die Forscher. Sie hoffen, das Rätsel des Ereignis-Überschusses spätestens nach dem Umbau des XENON1T-Detektors zum Nachfolger XENONnT lösen zu können.

Denn dann wird der Detektor die dreifache Xenon-Menge umfassen und eine noch genauere Unterscheidung von Hintergrundereignissen und „echten“ Signalen erlauben. „Vorläufige Studien basierend auf den Resultaten dieser Arbeit sprechen dafür, dass das Signal solarer Axionen mit XENON1T schon nach wenigen Monaten des Datensammelns mit einer Signifikanz von fünf Sigma vom Tritium-Hintergrund unterschieden werden könnte“, konstatieren die Physiker. (Preprint, arXiv:2006.09721)

Quelle: XENON-Kollaboration, Max-Planck-Institut für Kernphysik

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