COSINUS: Test des DAMA-Experiments

Lassen sich die kontrovers diskutierten Dunkle-Materie-Signale von DAMA bestätigen?

Für die Suche nach den hypothetischen Dunkle Materie-Teilchen gibt es unterschiedliche Ansätze und Verfahren. Viele Experimente suchen direkt nach möglichen Spuren, die Teilchen der Dunklen Materie hinterlassen, wenn sie auf Atomkerne der normalen, sichtbaren Materie treffen. Beispiele dafür sind CRESST, Edelweiss, SuperCDMS, LUX, PandaX, DarkSide und XENON-nT.  

Dazu zählt auch das DAMA/LIBRA-Experiment, das Detektoren aus Natriumiodid verwendet. Dank seiner großen Detektormasse (250 Kilogramm) kann es noch ein weiteres Kennzeichen von Dunkle-Materie-Teilchen erkennen. Dabei handelt es sich um eine jahreszeitlich auftretende Schwankung bei den beobachteten Signalen – mit einem Höhepunkt im Juni. Der Grund: Das Sonnensystem kreist um den Mittelpunkt der Milchstraße, die Erde um die Sonne. Je nach Position addieren sich die beiden relativen Geschwindigkeiten. Daher erleben unser Planet und damit auch die Detektoren mal einen stärkeren, mal einen schwächeren Teilchenwind.

Allerdings stehen die DAMA-Ergebnisse bisher für sich allein. Um von einem sicheren Nachweis Dunkler Materie zu sprechen, müssten auch andere Experimente Teilchenspuren entdecken können. Tatsächlich gibt es eine Reihe von Projekten (ANAIS in Spanien, COSINE in Korea und SABRE in Italien) mit denen Wissenschaftler*innen die DAMA-Signale reproduzieren wollen. Bisher konnte aber keines davon die Indizien für Dunkle Materie bestätigen.

Kombination von zwei Nachweismethoden

Mit COSINUS kommt jetzt ein weiteres Prüfinstrument hinzu. Die Idee: COSINUS nutzt das gleiche Detektormaterial wie DAMA, Natriumiodid. Dieses wird mit einem zweiten Nachweiskanal – einem speziellen Thermometer – kombiniert. Durch die Kollision eines Dunkle-Materie-Teilchen mit dem Kristall wird Energie deponiert, die sich mit einem kurzen Lichtblitz und einer winzigen Temperaturerhöhung bemerkbar macht.

In den nächsten Jahren wird COSINUS im Untergrundlabor des Gran Sasso (LNGS Laboratori Nazionali del Gran Sasso) in Italien aufgebaut. Das Labor befindet sich im Inneren eines Bergmassivs, einem natürlichen Bollwerk gegen die störende Strahlung aus dem Weltraum. Das Experiment selbst besteht aus 25 Detektoren, die von einem sieben Meter hohen Wassertank umgeben und so vor natürlicher Radioaktivität geschützt sind. Im Reinraum über diesem Aufbau werden die Detektoren vorbereitet und ins Experiment eingebaut. Erste Messungen sollen im Jahr 2022 starten.

Das Projekt leitet ein Team am Max-Planck-Institut für Physik, am HEPHY und an der TU Wien und am INFN und GSSI (Italien). Weitere Akteure sind SICCAS (China) und das Helsinki Institute for Physics (Finnland).

COSINUS am MPP

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Name Funktion E-Mail Durchwahl Büro
Ackermann, Karlheinz Engineering ack 445 HOME OFFICE
Angloher, Godehard, Dr. Senior Scientist angloher 445 A.1.35
Ansorge, Henrik Student ansorge 560 A.1.25
Bharadwaj, Mukund PhD Student mukund 560 A.1.27
Figueroa Falla, Pablo Jose Student pablof 379 A.1.33
Gapp, Maximilian Student gapp 560 A.1.25
Heim, Kilian Student kheim 560 A.1.25
Hughes, Maximilian, Dr. Postdoc hughes 443 A.1.31
Kellermann, Moritz PhD Student mkellerm 497 A.1.27
Schäffner, Karoline, Dr. Senior Scientist kschaeff 445 A.1.35
Shera, Kumrie PhD Student kshera 560 A.1.25
Stadler, Robert Engineering stadlerr 330 B.2.35
Stahlberg, Martin, Dr. Postdoc mstahlbe 379 A.1.33
Werner, Diana Secretary dwerner 364 A.2.43
Zema, Vanessa, Dr. Postdoc vanezema 582 A.1.31

Model-independent comparison of annual modulation and total rate with direct detection experiments
F. Kahlhoefer, F. Reindl, K. Schäffner, K. Schmidt-Hoberg and S. Wild; JCAP05(2018)074

Results from the first cryogenic NaI detector for the COSINUS project
G. Angloher et al; 2017 JINST 12 P11007

A CsI low-temperature detector for dark matter search
G. Angloher et al.; Astroparticle Physics, Volume 84, Nov. 2016, arXiv:1602.08884

The COSINUS project: perspectives of a NaI scintillating calorimeter for dark matter search
G. Angloher et al.,; Eur. Phys. J. C, Volume 76, Aug. 2016, arXiv:1603.02214