Aufbau des Wassertanks im COSINUS-Experiment (Fotos: U. di Sabatino/LNGS)

Aufbau des Wassertanks im COSINUS-Experiment (Fotos: U. di Sabatino/LNGS)

Dunkle-Materie-Experiment COSINUS: Vorbereitungen laufen auf Hochtouren

Der Aufbau des COSINUS-Experiments im Untergrundlabor am Gran Sasso (LNGS, Laboratori Nazionali del Gran Sasso) macht große Fortschritte. In den letzten Wochen wurden die erste Großkomponente errichtet: Ein Wassertank mit sieben Metern Durchmesser und Höhe. Er erfüllt die grundlegende Aufgabe, den COSINUS-Kryostaten und die Detektoren vor externer Strahlung abzuschirmen. Das Team unter der Leitung von Karoline Schäffner vom Max-Planck-Institut für Physik (MPP) rechnet damit, die Installation der gesamten Anlage bis Ende 2022 abzuschließen. Erste physikalische Ergebnisse werden für Anfang 2024 erwartet.

Die Arbeiten in der Experimentierhalle B begannen im November 2021. Seitdem haben die Forscher des COSINUS-Projekts neben dem Wassertank auch ein neues Design für das Thermometer entwickelt, das zum Auslesen der Detektoren dient. Damit erreichen die Kalorimeter eine niedrige Energieschwelle und können verschiedene Teilchentypen identifizieren. Dies ist ein weiterer Meilenstein für die späteren Messungen mit COSINUS.  

„Ende 2022 wird der größte Teil des experimentellen Aufbaus fertig sein", sagt Karoline Schäffner. „Danach nehmen wir das Kühlsystem in Betrieb, gefolgt von der Montage des ersten COSINUS-Detektorarrays. Wenn es durch COVID nicht zu drastischen Verzögerungen kommt, kann die erste Messung Mitte 2023 beginnen, die ersten Ergebnisse zur dunklen Materie werden ein Jahr später erwartet". 

Lassen sich die Ergebnisse eines anderen Experiments bestätigen? 

Die COSINUS-Wissenschaftler*innen verfolgen das Ziel, die Ergebnisse eines anderen Experiments zu überprüfen – und damit möglicherweise Dunkle Materie nachzuweisen. Seit etwa 25 Jahren misst das DAMA/LIBRA-Experiment Signale, die zu Teilchen der Dunklen Materie passen. Das Problem: Andere Experimente konnten diese Ergebnisse nicht bestätigen. Der allgemein akzeptierte Nachweis von Dunkler Materie steht also noch aus. 

COSINUS ist eines von mehreren Experimenten, welche die DAMA/LIBRA-Ergebnisse überprüfen wollen. Eines davon, das ANAIS-Experiment, hat erst kürzlich Ergebnisse veröffentlicht, die im Widerspruch zu DAMA stehen. Es basiert auf dem gleichen Detektorkonzept wie DAMA/LIBRA. Das COSINUS-Experiment verwendet das identische Detektormaterial (Natriumiodid), erweitert aber das Detektorkonzept um einen zweiten Nachweiskanal. 

Zwei Detektorkanäle für den Nachweis Dunkler Materie 

„Der Ansatz von COSINUS ist, die Kristalle aus Natriumiodid bei extrem tiefen Temperaturen zu betreiben“, erklärt Schäffner. „Ein Dunkle-Materie-Teilchen würde bei der Wechselwirkung mit dem Detektor zwei Spuren hinterlassen: einen kurzen Lichtblitz und eine winzige Temperaturerhöhung, die sich mit einem speziellen Thermometer messen lässt.“ Diese Thermometer wurden am MPP für das Dunkle-Materie-Experiment CRESST entwickelt und werden inzwischen für beide Experiment dort gefertigt.  

Auf die ersten Ergebnisse hofft das internationale COSINUS-Team aus insgesamt acht Institutionen im Jahr 2024.