Überraschendes Signal im Dunkle-Materie-Detektor XENON1T

Xenon

Bei der Datenanalyse des XENON1T-Detektors wurde ein Signalüberschuss festgestellt. Der Ursprung könnte auf neue Teilchen oder unbekannte Eigenschaften von Neutrinos hindeuten.

XENON1T war von 2016 bis Ende 2018 im Gran-Sasso-Untergrundlabor des INFN in Italien in Betrieb. Es diente primär der Suche nach Teilchen der Dunklen Materie, die 85% der Materie im Universum ausmacht, für die es aber bisher nur indirekte Hinweise gibt. XENON1T hat zwar keine Dunkle Materie entdeckt, hat aber weltweit die beste Sensitivität für die Suche nach WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) erreicht, die zu den theoretisch bevorzugten Kandidaten für Dunkle Materie gehören. Die sehr hohe Sensitivität von XENON1T erlaubt es darüber hinaus, nach verschiedenen neuen Teilchen und bisher unbeobachteten Prozessen zu suchen. So konnte die XENON-Kollaboration voriges Jahr die Beobachtung der seltensten jemals direkt gemessenen Kernumwandlung in Nature publizieren.

Der zur Suche nach seltensten Ereignissen optimierte XENON1T-Detektor enthielt 3,2 Tonnen hochreines, bei –95°C verflüssigtes Xenon, von denen die innersten 2 Tonnen als Nachweismedium dienten. Fliegt ein Teilchen durch die Flüssigkeit, kann es mit den Xenon-Atomen zusammenstoßen und dabei schwache Lichtsignale auslösen und Elektronen aus dem getroffenen Xenon-Atom schlagen. Da die meisten Wechselwirkungen auf bekannte Teilchen zurückgehen, diente eine Vielzahl von aufwendigen Methoden dazu, solche störenden Hintergrundereignisse auf ein bislang unerreicht niedriges Niveau zu senken. Die verbleibende Anzahl von Hintergrundereignissen haben die Wissenschaftler sehr sorgfältig bestimmt. Beim Abgleich der XENON1T-Daten mit dem Hintergrund fanden die Forscherinnen einen überraschenden Überschuss von 53 Ereignissen über die erwarteten 232 Ereignisse.

Was ist nun der Ursprung dieses Signals?

Eine Möglichkeit könnte ein bisher unerkannter Hintergrund sein, und zwar die Anwesenheit extrem kleiner Mengen Tritium im flüssigen Xenon. Tritium, ein radioaktives Wasserstoffisotop mit zwei extra Neutronen, zerfällt spontan unter Aussendung eines Antineutrinos sowie eines Elektrons mit einer Energieverteilung ähnlich der beobachteten. Wenige Tritiumatome auf 1025 Xenon-Atome (das entspricht etwa 2 kg Xenon) würden genügen, um das Signal zu erklären. Allerdings gibt es derzeit keine unabhängigen Messungen, die die Anwesenheit derart winziger Mengen Tritium im Detektor bestätigen oder ausschließen könnten. Ob diese Erklärung für das beobachtete Signal zutrifft, muss deshalb offenbleiben.

Eine weitaus spannendere Erklärung wäre die Existenz eines neuen Teilchens. Das gemessene Energiespektrum gleicht demjenigen, das für in der Sonne erzeugte Axionen erwartet wird. Axionen sind hypothetische Teilchen, die vorgeschlagen wurden, um eine in der Natur beobachtete Symmetrie der Kernkräfte zu verstehen. Die Sonne könnte eine starke Quelle von Axionen sein. Diese solaren Axionen sind zwar keine Dunkle-MaterieKandidaten, aber ihr Nachweis wäre die erste Beobachtung einer sehr gut motivierten, aber noch nicht gefundenen Klasse von Teilchen. Dies hätte große Bedeutung für unser Verständnis von fundamentaler Physik, aber auch von astrophysikalischen Phänomenen. Im frühen Universum erzeugte Axionen könnten zudem eine Quelle für Dunkle Materie sein.

Alternativ könnten auch überraschende Eigenschaften von Neutrinos hinter dem unerwarteten Signal stecken. In jeder Sekunde durchqueren Billionen von Neutrinos völlig ungehindert den Detektor. Als eine Erklärung käme in Frage, dass das magnetische Moment der Neutrinos größer ist als vom Standardmodell der Elementarteilchenphysik vorhergesagt, was ein klarer Hinweis auf „neue Physik“ wäre.

Von allen drei betrachteten Erklärungen zeigen Signale solarer Axionen die beste Übereinstimmung mit den gemessenen Daten. Allerdings ist die statistische Signifikanz von 3,5 Sigma (d.h. mit einer Wahrscheinlichkeit von zwei Zehntausendsteln handelt es sich bei dem Signal um eine zufällige Fluktuation) zwar recht hoch, aber nicht hoch genug für eine Entdeckung. Die beiden anderen Erklärungen sind mit 3,2 Sigma ähnlich gut mit den Daten vereinbar.

Nach dem Umbau von XENON1T zu XENONnT mit der dreifachen aktiven Detektormasse und geringerem Hintergrund werden bald noch bessere Daten zur Verfügung stehen. Die Mitglieder der XENON-Kollaboration sind zuversichtlich herauszufinden, ob dieses überraschende Signal nur eine statistische Fluktuation, eine weitere Hintergrundkomponente oder etwas bei weitem Spannenderes ist: ein neues Teilchen oder eine Wechselwirkung jenseits der bekannten Physik.

“Die neuen Ergebnisse unseres Xenon-Detektors auf der Tonnenskala und mit einem bisher nie erreichten, sehr niedrigen Hintergrund sind sehr aufregend” sagt Laura Baudis, Professorin an der Universität Zürich und führend am Projekt beteiligt. Die Datenanalyse, die zu dem gegenwärtigen Ergebnis führte, wurde durch Dr. Michelle Galloway in der Baudis-Gruppe an der Universität Zürich, sowie von den Doktoranden Evan Shockley (University of Chicago) und Jingqiang Ye (University of California San Diego) geleitet. Die Analyse wurde weitgehend von der XENON Kollaboration überprüft, in der 163 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 28 Institutionen in 11 Ländern zusammenarbeiten.

“Da unser Hauptziel die Suche nach dunkler Materie war” erklärt Michelle Galloway “mussten wir eine extrem saubere, stille Umgebung was die Radioaktivität angeht, sicherstellen. Mit solch einem niedrigen Hintergrund wurde es auch möglich, den Detektor als Observatorium für die Sonne einzusetzen.” Abseits der Analyse der XENON1T Daten, ist die Gruppe fieberhaft auf den Aufbau des XENONnT Detektors fokussiert. Sie trägt wesentlich an der Entwicklung und Bau der Zeit-Projektionskammer, an der Installation, Ausleseelektronik und Eichung der 494 Photodetektoren, sowie an Messungen von Spuren von Radioaktivität in den Detektormaterialien bei. Der XENONnT Detektor soll gegen Ende des Jahres mit der Datenaufnahme beginnen. “Vielleicht stammt der Überschuss tatsächlich vom Zerfall weniger Tritium-Atome aus der Atmosphäre” fährt Michelle Galloway fort “doch sind wir von den exotischeren Erklärungen noch viel mehr begeistert. Wir erwarten, mit dem grösseren XENONnT Detektor bald mehr zu wissen.”

Originalpublikation

Observation of Excess Electronic Recoil Events in XENON1T, XENON Collaboration, arXiv

 

Kontakt

Prof. Laura Baudis lbaudis@physik.uzh.ch
Dr. Michelle Galloway galloway@physik.uzh.ch

Förderung:

In der Schweiz erhielt das „XENON1T“-Experiment finanzielle Unterstützung durch das SNF und durch die Universität Zürich. Internationale Förderung kam aus Deutschland, den USA, Italien, Israel, Portugal, Frankreich, Schweden, den Niederlanden und von der EU.

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