XENON100 setzt neue schärfste WIMP-Limits für Dunkle Materie

Die Untergrundexperimente CDMS und gerade erst EDELWEISS hatten schon vorgelegt, und nun hat XENON100 im Gran-Sasso-Tunnel noch deutlich schärfere Obergrenzen für die ‘erlaubten’ Eigenschaften Weakly Interacting Massive Particles geliefert (in Gestalt einer geschwungenen Kurve des Wechselwirkungsquerschnitts als Funktion der WIMP-Masse). Der Untergrund, v.a. durch radioaktive Kontamination, sollte während des Messintervalls – in der ersten Jahreshälfte 2010 – 1.8±0.6 Events liefern, gesehen wurden drei: völlig insignifikant, die Wahrscheinlichkeit für 3 oder mehr Untergrund-Events lag bei 28%. 100.9 Tage lang waren auf vielfältige Weise abgeschirmte 48 kg flüssiges Xenon von Photomultipliern beobachtet worden: Eindringende WIMPs der Dunklen Materie – durch die Sonne und Erde auf ihrer Bahn um’s Milchstraßenzentrum hindurch saust – hätten sich mit eindeutigen Signaturen bemerkbar machen müssen.

Teilchen, die innerhalb des aktiven Flüssigkeitsvolumens streuen, regen Xenon-Atome an und ionisieren sie: Dies führt einerseits zur prompten Emission von ultraviolettem Szintillationslicht. Zu einer weiteren, verzögerten, Emission von Szintillationslicht kommt es durch die bei der Ionisation freigesetzten Elektronen, die durch die Flüssigkeit bis zu deren Oberfläche driften, um anschließend in dem darüber liegenden, mit Xenon-Gas gefüllten Volumen beschleunigt zu werden. Dabei kommt es im Gas zu Lumineszenz mit der gleichen Wellenlänge von 178 nm wie die des prompten Signals. Die beiden Szintillations-Lichtsignale werden mit zwei Anordnungen von 242 Photomultipliern nachgewiesen: Die gleichzeitige Messung beider Lichtsignale erlaubt die Bestimmung sowohl der Energie als auch der räumlichen Position des Ereignisses (auf Millimeter genau), was Informationen über dessen Natur liefert.

Die neuen Obergrenzen schließen einen großen neuen WIMP-Parameterbereich aus und stehen zum einen in noch viel schärferen Widerspruch zu angeblich positiven WIMP-Detektionen der Experimente DAMA/LIBRA und CoGeNT als ein XENON-Nullresultat vom letzten Jahr (wobei die Konkurrenten schon wieder an der XENON-Datenanalyse mäkeln). Und sie berühren sie erstmals einen Bereich, den gerade auch der Mega-Teilchenbeschleuniger LHC bearbeitet: Sowohl von kommenden XENON-Ergebnissen (eine neue Messreiche mit verringertem Untergrund läuft bereits) wie auch dem LHC dürfen mithin bald noch härtere Aussagen über das Wesen der hypothetischen WIMPs erwartet werden – und vielleicht auch endlich ein signifikant positives Ergebnis. Aprile & al., Preprint 13., Aprile & al., Preprint 15., Farina & al., Preprint 18.4.2011; PM des MPI für Kernphysik, NSF, Weizmann, UCLA Releases; Nature News, Science News [alt.], Physics World, New York Times [alt.], Cosmic Variance, New Scientist Blog, Scientific American, Science Journalism Tracker. NACHTRAG: was CDMS jetzt noch zu melden hat.

Keine Gammastrahlung von Dunkel-Materie-Zerfall in zwei Kugelsternhaufen hat das H.E.S.S.-Cherenkov-Teleskop in Namibia gesehen, das 27 und 15 Stunden lang NGC 6388 bzw. M 15 anstarrte: Gemäß des Standardbildes der Galaxienentstehung sollten in Kugelhaufen gewisse Konzentrationen Dunkler Materie auch heute noch vorhanden sein. (H.E.S.S. Collaboration, Preprint 13.4.) Dafür gibt es bereits eine Interpretation des neuen Tevatron-Mysteriums (“Ein weltbewegendes schweres Elementarteilchen im Tevatron?”) als neues Eichboson, das sowohl für die kosmische Dunkle Materie als auch die – gerade von XENON100 ausgeschlossenen, s.o. – Detektionen von DAMA und CoGeNT in Frage käme … (Buckley & al., Preprint 15.4.2011. Auch STFC Release 11.4.2011 zur Technicolor-Interpretation des Effekts)

Den 7Be-Sonnenneutrino-Fluss genauer denn je gemessen

hat das Borexino-Experiment im Gran Sasso-Tunnel, das derzeit einzige weltweit, das Wechselwirkungen niederenergetischer Sonnenneutrinos in Echtzeit beobachten kann: Der Wert hat einen Fehler von weniger als 5% und liefert – zusammen mit dem 8B-Sonnenneutrino-Fluss, den das Experiment bereits früher bestimmte – harte Aussagen über das Wesen der Neutrino-Oszillationen. Dass der Mischungswinkel groß ist (“LMA-Region” des Parameter-Raums), ist nun mit >8.5 Sigma sicher. (Interactions 11.4.2011)

Erste Ergebnisse eines akustischen Neutrino-Detektors, des AMADEUS-Systems von ANTARES im Mittelmeer (“Neutrino-Teleskop …”), liegen nun vor: Seit 2008 messen 6 x 6 Hydrophone, was es im Ozean für interessante Geräusche gibt. Neutrinos mit mehr als 100 PeV Energies sollten es auch krachen lassen, und die AMADEUS-Messungen zeigen, dass das System im Prinzip Neutrinos bis 1 EeV hinab sehen würde – wenn es groß genug wäre. (ANTARES Collaboration, Preprint 15.4.2011. Und Russia beyond the Headlines 19.4.2011 zu einem neuen großen Neutrino-Teleskop im Baikalsee)

Gravitationsmessungen an ultrakalten Neutronen

eröffnen neue Möglichkeiten, Eigenschaften der Schwerkraft auf mikroskopischen Distanzen – sind träge und schwere Masse wirklich dasselbe, gibt es Abweichungen vom Newton’schen Kraftgesetz, macht sich die Stringtheorie bemerkbar usw.? – mit extremer Präzision zu erforschen. Der Vorteil: Die Teilchen sind elektrisch neutral und gehorchen im Experiment – das ihre Quantennatur ausnutzt und dabei höchst sensitiv auf Energielevels reagiert – ausschließlich der Gravitation. (PM der TU Wien, All that matters 17., BBC 18.4.2011. Und der Telegraph 17.4.2011 zum LIGO/VIRGO/GEO600-Nachfolger “Einstein Telescope” mit unterirdischen Riesen-Laser-Interferometern zur Beobachtung von Gravitationswellen) NACHTRAG: noch ein wesentlich detaillierterer Artikel zu den Neutronen-Experimenten.

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3 Antworten to “XENON100 setzt neue schärfste WIMP-Limits für Dunkle Materie”

  1. Gravity Probe B bestätigt Allgemeine Relativität – aber wer brauchte das noch? « Skyweek Zwei Punkt Null Says:

    [...] sah, wären alle mit einem WIMP von 5 bis 10 GeV verträglich. Das wiederum die Direktexperimente XENON100 und CDMS II ausgeschlossen zu haben glauben, was die DAMA- und CoGeNT-Forscher umgekehrt für Rechenfehler halten: Wieder [...]

  2. LHC lässt dem Higgs immer weniger Verstecke « Skyweek Zwei Punkt Null Says:

    [...] unter Dunkel-Materie-Jägern geht in nächste Runde: Zwischen den Forschern des XENON-100-Experiments, die partout keine Teilchen der Dunklen Materie fangen, und den Experimenten DAMA und CoGeNT, die [...]

  3. Dunkel-Materie-Detektion im Keller: Es steht 3:2 … « Skyweek Zwei Punkt Null Says:

    [...] indirekt bestätigt und zwei weitere Komponenten (7Be- und 8B-Neutrinos) aus diesem Fusionszyklus direkt nachgewiesen („Den 7Be-Sonnenneutrino-Fluss …“). Offen blieb noch der Nachweis einer [...]

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