Suche nach Dunkler Materie: CRESST startet in die nächste Runde

Das CRESST-Experiment setzt seine Suche nach Dunkler Materie fort. Vor einigen Wochen erreichte der Detektor seine Betriebstemperatur von etwa -273 Grad Celsius, also nahe dem absoluten Nullpunkt. Für die im September gestartete Messkampagne wurde das Experiment grundlegend überarbeitet: Unter anderem kommt jetzt ein neuartiger Detektortyp zum Einsatz. CRESST wird nach sehr leichten Dunkle-Materie-Teilchen forschen – in einem Massebereich, den derzeit kein anderes Experiment abdeckt.

Das CRESST-Experiment hat kürzlich einen neuen Messlauf gestartet; der vorangegangene endete im August 2015. Damals stellte sich heraus, dass einige der Detektoren hochempfindlich für sehr leichte Dunkle-Materie-Teilchen waren. Dies veranlasste die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, alle Detektormodule aufzurüsten.

Größerer Suchbereich für Dunkle-Materie-Teilchen
Mit den neuen Sensoren sinkt die Energieschwelle für die Teilchen der Dunklen Materie. "In der letzten Messphase drang CRESST in einen sehr niedrigen Energiebereich bis etwa 300 Elektronenvolt vor", erklärt Federica Petricca, Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für Physik und Sprecherin des CRESST-Forschungsverbundes.

"Künftig können wir Teilchen detektieren, die viel leichter als ein Gigaelektronvolt sind." Dieser Massebereich stimmt mit neueren theoretischen Modellen überein, die sehr leichte Dunkle-Materie-Teilchen vorhersagen.

Insgesamt weitet sich der Suchbereich für die Teilchen der Dunklen Materie deutlich aus. Alle aktuellen Experimente zusammen decken ein Spektrum von sehr leichten bis sehr schweren Teilchen ab: von weniger als ein Gigaelektronvolt (CRESST) bis hin zu einigen 100 Gigaelektronvolt (Xenon 1T).

Das überarbeitete CRESST-Experiment
Das CRESST-Experiment verwendet Kristalle aus Kalziumwolframat (CaWO₄) als Detektoren. Da die erwarteten Zusammenstöße von Teilchen mit den Atomen im Kristall extrem selten sind, ist es entscheidend, Störsignale zu minimieren. Um den radioaktiven Untergrund, der von Unreinheiten im Detektor hervorgerufen wird, so weit als möglich reduzieren, werden im Experiment CRESST ausschließlich chemisch hochreine Kristalle eingesetzt, die im Labor der Technischen Universität München hergestellt wurden. Das Kristall-Labor ist im Untergrundlabor am Physik Department untergebracht, das vom Exzellenzcluster Universe finanziert wurde.

Optimiert wurden auch die Aufhängungen für die Kristalle. Sie sind nun ebenfalls mit Sensoren versehen. "So können wir exakt bestimmen, wo im Detektor Teilchenreaktionen stattfinden – und Dunkle-Materie-Signale von Störquellen unterscheiden", erläutert Petricca.

Die ersten Ergebnisse aus der jetzt gestarteten Messung erwartet CRESST in einem Jahr. Die Gruppe arbeitet außerdem daran, die Schwelle für leichte Dunkle-Materie-Teilchen weiter herabzusetzen. "Ziel ist es letztlich, den Suchbereich noch größer zu fassen – und so dem Rätsel der Dunklen Materie auf die Spur zu kommen", so Petricca abschließend.

An der CRESST-Kollaboration beteiligen sich das Max-Planck-Institut für Physik, die University of Oxford, die Technische Universität München, die Universität Tübingen, das Institut für Hochenergiephysik in Wien, die Technische Universität Wien und die Laboratori Nazionali del Gran Sasso des Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.

Unterstützt wurden die Arbeiten mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Exzellenzclusters Origin and Structure of the Universe, der Helmholtz Allianz für Astroteilchenphysik (HAP) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF).

Weitere Informationen zu CRESST:

• Webseite des CRESST-Experiments: www.cresst.de/ 

• Beitrag zum CRESST-Experiment im TUM-Forschungsmagazin „Faszination Forschung“ https://portal.mytum.de/pressestelle/faszination-forschung/2012nr11/index_html
• Das CRESST-Experiment am Max-Planck-Institut für Physik https://www.mpp.mpg.de/forschung/experimental/cresst/index.html
• Video zum CRESST-Experiment (YouTube) https://www.youtube.com/watch?v=X_Xwk7xztZE
• Beitrag zum CRESST-Experiment in Max Planck Forschung:https://www.mpp.mpg.de/pr/medienarchiv/03_print/MaxPlanckForschung/pdf/Die_Jagd_nach_dem_Unsichtbaren.pdf

Kontakt:
Prof. Dr. Stefan Schönert
Technische Universität München
James-Franck-Str. 1
85748 Garching
Tel.: 089 289 12511
E-Mail: schoenert@ph.tum.de

Dr. Federica Petricca
Max-Planck-Institut für Physik
Föhringer Ring 6
80805 München
Tel.: 089 32354 309
E-Mail: petricca@mpp.mpg.de